ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ МИКРООРГАНИЗМОВ
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ МИКРООРГАНИЗМОВ
План
Химический состав микробной клетки.
Питание микроорганизмов.
Энергетический обмен микробной клетки.
Ферменты, их роль в обеспечении жизнедеятельности микроорганизмов.
Ключевые слова: автотрофы, гетеротрофы, аэробы, анаэробы, сапрофиты, паразиты, дыхание, питание, энергия, ферменты, вода, органогены..
Физиология микроорганизмов изучает процессы их роста, развития, питания, способы получения энергии для осуществления этих процессов, а также происходящие при этом превращения веществ в клетке.
Знание физиологии микроорганизмов позволяет руководить их жизнедеятельностью, а именно:
- эффективно использовать полезные свойства микробов с народнохозяйственной целью: усиливать накопление микробной массы или направлять биологическую активность в соответствии с конкретными задачами производства (например, выращивание кормовых дрожжей на питательных средах с избытком азотистых веществ с целью получения массы дрожжей, богатых белком), накопления дрожжами этилового спирта, из глюкозы в кислой среде и накопления глицерина теми же дрожжами, когда процесс происходит в щелочной среде;
- подавлять жизнедеятельность вредных микробов и, таким образом, разрабатывать рациональные способы хранения пищевых продуктов, пути профилактики пищевых заболеваний микробной природы, санитарный режим предприятий.
Химический состав микробной клетки.
Совокупность процессов, происходящих в клетке и обеспечивающих воссоздание ее биомассы называют обменом веществ или метаболизмом.
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» (Энгельс Ф.).
Обмен веществ представляет собой сложный комплекс разнообразных химических превращений веществ пищи, поступающей в организм из внешней среды (из субстрата).
Клеточный метаболизм состоит из двух основных процессов: конструктивного и энергетического обменов (рис. 1).
Оба этих процесса (анаболизм и катаболизм) в совокупности составляют обмен веществ организма в целом. Они находятся в тесном взаимодействии и взаимозависимости, неотделимы один от другого, обусловливают рост, развитие и размножение организма. В этом проявляется один из законов диалектики – закон развития как борьбы противоположностей.
Многочисленные химические реакции обмена веществ, управляемые ферментами, протекают в определенной последовательности; они согласованы между собой и гармонично сочетаются. Многие промежуточные продукты процессов энергетического обмена участвуют в реакциях процессов строительного обмена. Одно и то же вещество может служить и источником энергии, и материалом для синтеза компонентов тела, но нередко используют для этих целей разные вещества. Конечные продукты обмена веществ выделяются во внешнюю среду.
Особенностью микроорганизмов является большое разнообразие обменных процессов: различны потребности в питательных веществах для синтеза веществ тела, различны способы добывания энергии и, кроме того, у микробов необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна клетка потребляет пищу, масса которой в 30-40 раз больше массы тела микроба. Основная часть пищи расходуется в энергетическом обмене, при котором выделяется в среду большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, углекислого газа, водорода и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного и животного пищевого и непищевого сырья; она же обусловливает явление быстрой порчи пищевых продуктов.
Для понимания процессов обмена веществ у микроорганизмов и их потребностей в пище необходимо знать химический состав их тела.
Состав веществ микроорганизмов в принципе мало отличается от химического состава тела животных и растений. Важнейшими компонентами клетки являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды. Универсальны многие ферменты строительного и энергетического обменов.
Потребность микроорганизмов в питательных веществах определяется в основном элементарным составом их клеток.
Важнейшими химическими элементами, преобладающими в клетках микроорганизмов, являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, магний, кальций и железо. Первые четыре из указанных элементов составляют основу органического вещества, поэтому называются органогенными элементами. Они составляют 90—97% сухого вещества (рис 2.).
 |
Другие элементы называют зольными или минеральными, на долю которых приходится 3-10%. Из них больше его содержится фосфора, который входит в состав важных ществ клетки (нуклеиновых кислот, АТФ и др.). В клетках микроорганизмов находятся, хотя и в крайне малых количествах, микроэлементы: медь, цинк, марганец, олибден и многие другие. Некоторые микроэлементы входят состав ферментов.
Соотношение отдельных химических элементов заметно колеблется в зависимости от вида микроорганизма и условий его роста. Примерный элементарный состав микробной клетки приведен в табл. 2.
| Химический элемент | Содержание, % от сухого веса | Химический элемент | Содержание, % от сухого веса |
| Углерод | Калий | 1,0 | |
| Кислород | Натрий | 1,0 | |
| Азот | Кальций | 0,5 | |
| Водород | Хлор | 0,5 | |
| Фосфор | Железо | 0,2 | |
| Сера | Другие | 0,3 |
Все элементы связаны в клетках в различные соединения, среди которых преобладает вода.
Вода. Вода составляет 75—85 % массы клеток. Она имеет важное значение в жизни организма. Все вещества поступают в клетку только с водой, с ней же удаляются и продукты обмена.
Часть воды в клетке находится в связанном состоянии с белками, углеводами и другими веществами) и входит клеточные структуры. Остальная вода находится в свободном состоянии: она служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Вода – участник многих химических реакций, протекающих в клетке..
Содержание свободной воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, ввиду низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и более или менее глубокие изменения обмена веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает смерть клетки.
Органические вещества. Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 15-25 % и состоит преимущественно (до 85-95%) из органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др.
Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их у бактерий достигает 40-80 % сухого вещества, у дрожжей – 40-60, у грибов – 15-40%. Белкам принадлежит важнейшая роль в жизни организма. Аминокислотный состав белков микроорганизмов сходен с белками других организмов. Различное сочетание аминокислот создает огромное количество белков, обусловливающих все разнообразие организмов.
Некоторые белки выполняют каталитические функции, катализируют различные биохимические реакции, протекающие постоянно в микробной клетке. Такие белки называют ферментами.
Многие микроорганизмы накапливают большое количество белков в клетке. Считают, что микроорганизмы можно рассматривать в качестве возможных продуцентов пищевого и кормового белка. Рентабельность промышленного производства таких белковых продуктов определяется быстротой накопления биомассы микроорганизмов и использованием для их выращивания дешевого недефицитного сырья. Сырьем может служить гидролизат древесины или других растительных материалов, отходы пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности. В Украине такой белок получают из дрожжей, некоторых бактерий, водоросли хлореллы и используют его в животноводстве и птицеводстве.
В клетке микроорганизмов содержатся нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой длинную цепь, которая состоит из многих элементарных единиц, называемых нуклеотидами. В состав каждого нуклеотида входят молекула фосфорной кислоты, молекула углеводного компонента (пентозы или дезоксипентозы) и одного азотистого основания (пуринового или пиримидинового).
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержит дезоксирибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. Через ДНК наследственные особенности передаются потомкам. ДНК сосредоточена главным образом в ядре клеток или в его аналоге – нуклеоидах бактериальных клеток.
РНК (рибонуклеиновая кислота) содержит рибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и в рибосомах. РНК рибосом участвует в синтезе белка.
Углеводы входят в состав различных мембран клеток микроорганизмов. Они используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетического материала. Углеводы могут откладываться в клетке в виде запасных питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы составляют 10-30% сухого вещества, у грибов – 40-60%.
В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких ей соединений. Полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.
Липиды в клетках большинства микроорганизмов составляют 3-10% сухого вещества. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней количество липидов может быть значительно выше – до 40-60 %. Липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и в состав других мембран, а также откладываются в виде запасных гранул.
В клетках микроорганизмов часто обнаруживают пигменты, витамины и другие органические вещества.
Пигменты, или красящие вещества, у некоторых.микроорганизмов составляют значительную долю сухого вещества клетки. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, а иногда выделяются в окружающую среду.
Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений – бактериохлорофилл, который отличается по строению от хлорофилла растений. Известно четыре типа бактериохлорофилл: а, b, с, d.
Фототрофные микроорганизмы и некоторые дрожжи образуют, кроме того, пигменты каротиноиды. Каротиноиды, как и бактериохлорофилл, участвуют в ассимиляции углекислого газа.
У некоторых дрожжей в значительных количествах образуются желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А. Производство таких дрожжей перспективно для получения белково-витаминных кормовых продуктов.
Минеральные вещества составляют не более 5-15 % сухого вещества клетки. Они представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др. Фосфаты могут быть в свободном виде и входить в состав различных соединений.
Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.
Питание микроорганизмов
Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизма в химических элементах, необходимых для синтеза веществ и структур клетки.
Вследствие поступления в клетку питательных веществ микроорганизмы осуществляют в клетке биосинтез углеводов, липидов, аминокислот, витаминов, нуклеиновых кислот и органических соединений цитоплазмы. Но способность к биосинтезу у разных видов микроорганизмов выражена неодинаково. Некоторые виды бактерий способны синтезировать все структурные компоненты клетки из простых неорганических соединений. Другие виды микробов в процессе эволюции утратили способность к синтезу органических соединений из неорганических. Такие микроорганизмы нуждаются в поступлении в клетку готовых органических соединений («строительных блоков»).
Таким образом способность к биосинтезу определяет потребность микроорганизмов в питательных веществах.
Углеводное питание. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.
Соответственно по источнику углерода различают и типы питания: автотрофный и гетеротрофный.
Автотрофы для превращения не имеющей энергетической ценности углекислоты в органические вещества нуждаются в постороннем источнике энергии.
Одни автотрофы в этих целях используют световую энергию – этот процесс называется фотосинтезом.
Другие используют химическую энергию, высвобождающуюся при окислении простых неорганических соединений, – этот процесс называется хемосинтезом. Открыт он был С. Н. Виноградским.
Таким образом, учитывая природу основного источника углерода и природу источника энергии, используемой при синтезе органических веществ, микроорганизмы по типам питания можно подразделить на следующие группы (табл. 1).
Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ используют световую энергию и неорганический источник углерода (СО2). К ним относятся цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии. Это преимущественно водные бактерии, в них содержатся различные пигменты (каротиноидные, бактериохлорофиллы), поглощающие свет.
Типы питания микроорганизмов
| Источник энергии | Донор электронов | Источник углевода | Тип питания | Представители |
| Окислительно-восстановительные реакции | Неорганичес-кие соедине-ния | СО2 | Хемолитоавтогра-фия | Нитрифицирующие, тионовые, водородные бактерии; ацидофильные железобактерии |
| Органические соединения | Хемолитогетеро-трофия | Метанообразующие, водородные бактерии | ||
| Органические соединения | СО2 | Хемолитооргано-автотрофия | Факультативные метилотрофы, которые окисляют муравьиную кислоту | |
| Органические соединения | Хемолитогетеро-трофия | Большинство бактерий, грибы | ||
| Свет | Неорганические соединения | СО2 | Фотолитоавто-трофия | Цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии |
| Органические соединения | Фотолитогето-трофия | Некоторые цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии | ||
| Органичес-кие соедине-ния | СО2 | Фотоорганоавто-трофия | Некоторые пурпурные бактерии | |
| Органические соединения | Фотоорганогете-ротрофия | Пурпурные и некоторые зеленые бактерии, галобактерии, некоторые цианобактерии |
Фотогетеротрофы для синтеза органических веществ используют световую энергию и простые органические соединения. Это живущие в водоемах пурпурные несерные бактерии.
Хемоавтотрофы в качестве источника углерода для синтеза органических веществ используют углекислоту, а в качестве источника энергии – реакции окисления неорганических соединений. Относящиеся к этой группе бактерии живут в водоемах, в почве: они специфичны в отношении окисляемого ими вещества.
Это бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак до нитратов (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии), а также окисляющие закисное железо в окисное (железобактерии).
Хемоорганотрофы (хемегетеротрофы) в качестве источников энергии и углерода используют органические соединения. Таким типом питания обладают многочисленные бактерии, грибы, дрожжи.
Одни хемогетеротрофы непритязательны в отношении питательных веществ источников углерода, другие проявляют большую специфичность.
Наиболее специфичными являются микробы-паразиты, живущие в теле другого организма – хозяина, питающиеся веществами его тела. К паразитам относятся возбудители заболеваний человека, животных, растений.
Большинство хемогетеротрофных микроорганизмов живет за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. Такие микроорганизмы называют сапрофитами. К ним относятся микроорганизмы, которые разлагают различные органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья.
Однако резкую грань между этими подгруппами хемогетеротрофов не всегда можно установить. Отдельные виды микробов-паразитов могут существовать во внешней среде как сапрофиты, и наоборот, некоторые сапрофиты в определенных условиях вызывают заболевания у людей, животных и растений.
Многие сапрофиты всеядны, т. е. способны использовать в качестве источника углерода разнообразные органические соединения; некоторые проявляют выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода. Так, гриб Oidium lactis усваивает изобутиловый спирт и не усваивает бутиловый. Последний является хорошим источником углерода для гриба Aspergillus niger, а изобутиловый спирт этот гриб не потребляет. Существуют и такие, которые используют только определенное вещество, их называют, субстрат-специфичными микроорганизмами. Примером могут служить целлюлозные бактерии, для которых клетчатка является единственным источником углерода.
Сапрофиты наряду с органическими соединениями используют и СО2, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ тела.
Азотное питание. Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из неорганические соединений.
У хемогетеротрофов по отношению к источнику азота, как и по отношению к источнику углерода, проявляется избирательность. Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина. Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества (азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот), так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны.
Другие могут развиваться при ограниченном числе органических соединений азота, например, в субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну-две из них, а все остальные необходимые для синтеза белков клетки синтезируют сами. Они дезаминируют взятые аминокислоты, а образующийся аммиак используют в реакциях аминирования оксикислот или чаще кетокислот, например:
NН3 + Н2 + НООССН2СОСООН → НООССН2СНNН2СООН + Н20
щавелевоуксусная аспарагиновая кислота
кислота
Синтез новых аминокислот может протекать и без дезаминирования взятых из субстрата аминокислот (без промежуточного образования аммиака) путем перестройки их (переаминирования) – переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоты при участии ферментов аминотрансфераз:
R1CHNH2СООН + R2СОСООН → R1СОСOOH + R2СHNH2СООН
Многие сапрофиты (бактерии, грибы, дрожжи) вообще не нуждаются в органических соединениях азота, используя неорганические его соединения, лучшими из которых являются соли аммония.
Азот в состав компонентов клетки входит главным образом в восстановленной форме. Используя в качестве источника азота нитраты или нитриты, микроорганизмы восстанавливают эти окисленные формы азота с образованием аммиака, который и используется в биосинтетических процессах.
Существуют сапрофиты, которые используют свободный азот атмосферы. Они переводят его в связанное состояние – восстанавливают в аммиак. Эти микроорганизмы называют азотфиксаторами или азотсобирателями.
Специфичностью отношений микроорганизмов к источникам углерода и азота определяется круговорот этих элементов в природе. Эта особенности гетеротрофов проявляется и при порче многих пищевых продуктов, при смене развития одних форм другими.
Усвоение зольных элементов. Для синтеза клеточных веществ нужны и различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них незначительна, но при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть.
Для большинства микроорганизмов источниками зольных элементов являются минеральные соли. Немногие микроорганизмы лучше усваивают серу и фосфор из органических соединений.
Микроэлементы, необходимые для роста микроорганизмов, могут быть использованы ими также из минеральных солей.
Потребность микроорганизмов в витаминах. В составе каждой микробной клетки имеются различные витамины. Они необходимы для нормальной жизнедеятельности. Некоторые витамины входят в состав простетических групп ферментов.
Одни микроорганизмы должны получать витамины в готовом виде, и при отсутствии того или иного витамина в среде у них резко нарушается обмен веществ. Добавление в питательную среду недостающего витамина ликвидирует задержку роста, поэтому витамины нередко называют ростовыми веществами.
Другие микроорганизмы, наоборот, хорошо развиваются при отсутствии витаминов в среде. Они способны сами синтезировать витамины из веществ питательной среды, накапливать их и выделять из клетки наружу. Некоторые микроорганизмы синтезируют витамины в количествах, значительно превышающих собственные потребности. Такие микроорганизмы используют для промышленного производства витаминов. Так, с помощью гриба эремотециум (Eremothecium ashbyii) получают витамин В2. Некоторые актиномицеты, пропионовокислые бактерии, метанообразующие (перерабатывающие различные органические вещества в метан) бактерии применяются для получения витамина В12.
