Аэробное дыхание микроорганизмов. Аэробы и анаэробы

Дыхание микроорганизмов – сопряженный окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит перенос электронов и протонов от окисляемого вещества до восстанавливаемого, в результате образуется АТФ – универсальный аккумулятор химической энергии.

Все физиологические процессы – питание, рост, размножение, образование спор, капсул, выработка токсинов – осуществляются при постоянном притоке энергии. Микробы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров. Основную роль в дыхании большинства микроорганизмов играет цикл трикарбоновых кислот, где органические вещества как источник энергии окисляются до углекислого газа и воды, а отнятый от них пиридиновыми и флавиновыми ферментами электрон передается по дыхательной цепи активированному кислороду. Освободившаяся в результате этих процессов энергия закрепляется в АТФ или других органических фосфатах. У микроорганизмов, кроме цикла трикарбоновых кислот, может проходить цикл дикарбоновых кислот, пентозофосфатный шунт.

По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на:

1) облигатные (строгие) аэробы ,

2) облигатные анаэробы ,

3) факультативные (необязательные) анаэробы ,

4) микроаэрофилы.

Строгие аэробы (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis ) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, так как они его используют в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ с дальнейшим включением в цикл трикарбоновых кислот. При этом, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, выделяется значительное количество энергии.

Облигатные анаэробы (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens, бактероиды) способны жить и размножаться только в отсутствии свободного кислорода воздуха. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты). При этом выделяется небольшое количество энергии. Акцептором водорода или электронов у анаэробов может быть сульфат. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением . По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, муравьинокислое, маслянокислое и пропионовокислое брожение. Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н 2 О 2 ; понижен окислительно-восстановительный (редокс) потенциал; отсутствуют цитохромы.

Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и без него (стафилококки, кишечная палочка). Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Факультативные анаэробы могут осуществлять анаэробное дыхание, которое называется нитратным. Нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака. Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии , которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.

Микроаэрофилы растут при сниженном парциальном давлении кислорода. Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки), которые лучше культивируются при уменьшенном содержании О 2 (около 5%), и микроаэрофильные анаэробы , которые способны расти в анаэробных и микроаэрофильных условиях, но не культивируются в обычной воздушной среде или в СО 2 .

Выделяют также капнофильные микроорганизмы . Они представляют собой бактерии, растущие в присутствии повышенных концентраций углекислого газа (3-5%). К ним относятся бактероиды, фузобактерии, гемофильные бактерии и др.

Методы культивирования строгих анаэробов :

1) Посев уколом в высокий столбик сахарного агара, который сверху заливается слоем вазелинового масла.

2) Посев на среду Китта-Тароцци (МПБ, глюкоза, кусочки печени или мяса в качестве редуцирующих веществ, сверху среда залита слоем вазелинового масла).

3) Удаление воздуха из среды механическим путем. Используют анаэростаты, из которых выкачивается воздух.

4) Замена воздуха другим индифферентным газом, например азотом, аргоном, водородом.

5) Механическая защита от кислорода воздуха (метод Виньяль-Вейона). Берут стеклянную трубку, один конец которой вытягивают в капилляр, расплавляют агар, в него засевают культуру и затем насасывают агар в стерилизованную трубку, затем капилляр запаивают и трубку помещают в термостат. В среде вырастают колонии, которые можно извлечь, распилив трубку.

6) Химическое поглощение кислорода воздуха, например щелочным раствором пирогаллола.

7) Биологический метод – комбинированный посев культур анаэробов и аэробов. Посев производят на чашку с толстым слоем кровяного агара с глюкозой, разделенную пополам небольшой дорожкой, вырезанной посередине чашки прокаленным скальпелем. На одной половине чашки делают посев культуры аэробов, а на другой – анаэробов. Края чашки смазывают парафином для герметизации и помещают в термостат. Сначала происходит рост аэробов, когда они исчерпывают из чашки кислород, начинается рост анаэробов.

Дыхание является источником энергии для живых существ. Происходящие в микробной клетке синтетические процессы построения протоплазмы, процессы роста, размножения, движения и др. требуют притока свободной энергии, так как эти процессы эндотермичны. Поэтому в микробной клетке постоянно совершаются одновременно с процессами ассимиляции процессы диссимиляции, освобождающие энергию для ее жизнедеятельности.

Совокупность биохимических процессов, в результате которых образуется энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки, составляет энергетический обмен. В противоположность высшим организмам энергетический обмен у микроорганизмов имеет разнообразные формы: дыхание, брожение и др.

Дыханием называется окисление органических веществ с помощью газообразного кислорода до углекислоты и воды. Так, окисление сахара в процессе дыхания выражается уравнением С 6 Н 12 О 6 +6О 2 =6СО 2 +6Н 2 О+энергия. Это уравнение противоположно уравнению фотосинтеза 6СО 2 +6Н 2 О+энергия=C 6 H 12 О 6 +6O 2 .

В 1861 г. Луи Пастер при изучении масляно-кислого брожения установил, что возбудитель этого брожения (Вас. butyricus) нормально развивается только в отсутствие свободного кислорода, энергию он поручает за счет реакции расщепления органического субстрата. Пастер определил сущность брожения как жизнь без кислорода. Кислород воздуха не принимает участия в брожении, а органическое вещество окисляется за счет отнятия водорода, который присоединяется к продуктам распада этого же органического вещества или выделяется в газообразном состоянии.

Автотрофы получают энергию за счет окисления простых неорганических соединений: сероводорода, аммиака, водорода. Денитрифицирующие и десульфофицирующие бактерии получают энергию путем окисления соответственно нитратов и сульфатов, но они могут получать энергию и за счет окисления органических веществ. У некоторых микробов реакция окисления кислородом не доходит до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О. Такой неполный окислительный процесс наблюдается у уксуснокислых бактерий, окисляющих спирт только до уксусной кислоты, и некоторых видов плесеней, разлагающих сахар до щавелевой и лимонной кислот.

Гнилостные бактерии используют энергию, освобождающуюся при расщеплении ими белков, при этом энергия химических связей аминокислот превращается в энергию АТФ.

По отношению к кислороду микробы разделяются на две группы: аэробы, развивающиеся только при наличии кислорода в окружающей среде, и анаэробы, которые развиваются при отсутствии свободного кислорода. Кроме того, имеется еще одна промежуточная группа - факультативные анаэробы, способные жить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Имеются также микроаэрофилы, развивающиеся при уменьшенном количестве кислорода в среде, например бруцеллезная палочка.

Образующаяся химическая энергия только частично рассеивается в виде тепла. Большая же часть этой энергии улавливается и сохраняется в виде макроэргических связей АТФ. Фосфатные группы связаны между собой непрочно и легко освобождают свою энергию в нужных количествах там, где она необходима для жизнедеятельности клетки. АТФ, теряя энергию, превращается в АДФ (аденозиндифосфат) и в АМФ (аденозинмонофосфат).

1. АТФ+Н 2 О→АДФ+Н 3 РО 4 +10000 кал

2. АДФ+Н 2 О→АМФ+Н 3 РО 4 +10000 кал

АТФ, АДФ, АМФ и фосфорная кислота всегда присутствуют в различных соотношениях в каждой клетке. Реакции эти обратимы, АМФ и АДФ могут присоединять к себе фосфорную кислоту и превращаться в АТФ. Так обеспечивается более или менее постоянное количество АТФ в клетке. Запас АТФ в клетке ограничен. Для восстановления макроэргических связей АТФ все время используется энергия расщепления углеводов и других веществ.

Долгое время считали, что процесс дыхания свойствен высшим организмам, а брожение только микроорганизмам. Затем было установлено, что они тесно связаны друг с другом. Дыхание и брожение представляют собой очень сложные комплексы сопряженных окислительно-восстановительных процессов, которые определяются тем или иным набором ферментов.

Во всех энергетических процессах в клетке можно различить три стадии. В первой, подготовительной стадии крупные молекулы углеводов, жиров, белков распадаются на небольшие молекулы глюкозы, глицерина, жирных кислот, аминокислот. Происходит подготовка веществ к дальнейшим превращениям, здесь не происходит заметного извлечения энергии.

В следующей стадии, называемой стадией неполного окисления, образовавшиеся глюкоза, жирные кислоты и другие вещества подвергаются сложному многоступенчатому процессу. Таково неполное окисление, которое называется гликолизом или брожением. Эта стадия анаэробная. Гликолиз представляет собой более десяти последовательных ферментативных реакций. Из глюкозы последовательно образуется десять различных промежуточных веществ (субстратов) и действует столько же специфических ферментов. Весь этот процесс идет по типу молочнокислого брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями, и имеет много сходного со спиртовым брожением, вызываемым дрожжами.

Процесс начинает фермент гексокиназа, под влиянием которого глюкоза вступает в реакцию с АМФ и образуется гексозо-6-фосфат. Гексозо-6-фосфат под действием фермента алдолазы переходит во фруктозо-6-фосфат и т. д. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Суммарное уравнение всего процесса выражается так: С 6 Н 12 О 6 =2С 3 H 6 О 3 .

Последней стадией процесса является полное окисление субстратов до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О. Эта стадия протекает в аэробных условиях. Следовательно, она имеется только у аэробов. В этой стадии участвуют органические кислоты, состоящие из трех углеродных атомов, почему и назвали ее циклом трикарбоновых кислот (Крепс, 1953).

Цикл начинается с того, что две молекулы молочной кислоты окисляются и дают две молекулы пировиноградной кислоты. Одна из молекул пировиноградной кислоты окисляется с отщеплением одной молекулы углекислоты, и образуется уксусная кислота. Углекислота связывается с другой молекулой пировиноградной кислоты, и образуется щавелевоуксусная кислота. Уксусная кислота соединяется с коферментом А, происходит конденсация ее с щавелевоуксусной кислотой и водой, и образуется лимонная кислота.

Лимонная кислота превращается в аконитовую кислоту. Далее происходит еще ряд превращений с образованием снова щавелевоуксусной кислоты, и па этом цикл заканчивается. Лимонная кислота оказывается вся разложенной. Из ферментов в цикле участвуют дегидрогеназы НАД, ФАД, цитохромы. Так, при дегидровании янтарной кислоты в цикле от нее отнимается электрон, он переносится на ФАД, и образуется ФАД-Н 2 , янтарная кислота окисляется в фумаровую кислоту. Электроны далее продвигаются по цепочке цитохромов к кислороду. Происходит соединение с активированным цитохромоксидазой кислородом с образованием воды. Непосредственно же кислород в реакциях не участвует.

Подсчитано, что в этом цикле из одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ и в процессе гликолиза две молекулы АТФ, всего, следовательно, 38 молекул АТФ, или 380 больших калорий из 680 больших калорий, содержащихся в грамм-молекуле глюкозы, т. е. получено 55% полезной химической энергии. Это очень большой процент но сравнению с к.п.д., получаемым в технике (12-25%). Энергия выделялась постепенно по частям. Если бы она была выделена сразу, то клетка была бы повреждена.

Ферменты, принимающие участие в реакциях, расположены в митохондриях и локализованы рядами по порядку их действия в ходе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Продукты распада триоз частично идут на биосинтез. Так, из пировиноградной кислоты может образоваться аланин, из кетоглутаровой кислоты - глютаминовая кислота, из щавелевоуксусной кислоты - аспарагиновая кислота путем аминирования. Уксусная кислота может пойти на синтез высших жирных кислот.

Протекающие при дыхании реакции имеют сопряженный характер окисления-восстановления. В ходе реакций окисления-восстановления развивается электродвижущая сила, которая может быть измерена в виде так называемого окислительно-восстановительного потенциала (rН 2).

Аэробы приспособлены к более высокому rН 2 (20 и выше), анаэробы - к низкому (0-12), факультативные анаэробы - 0-20. Снижая rН 2 среды, можно добиться роста анаэробов в присутствии кислорода, а повышая rН 2 , выращивать аэробы в анаэробных условиях.

В энергетическом отношении анаэробное дыхание во много раз менее эффективно, чем аэробное. Так, если при аэробном процессе окисления глюкозы до СО 2 и Н 2 О получается 674 ккал, то при спиртовом брожении - 27 ккал, при молочнокислом - 18 ккал и при масляно-кислом - всего 15 ккал. Это объясняется тем, что конечными продуктами анаэробного окисления являются органические соединения, сохранившие еще большой запас энергии. Например, спирт (продукт спиртового брожения) прекрасно горит.

Потерю тепла при брожении можно наблюдать в культурах, хорошо защищенных от потери тепла. За счет выделения этого тепла происходит самонагревание влажного сена, навоза, торфа и пр.

У светящихся бактерий потеря энергии выражается в виде свечения. Свечение морской воды, гнилого дерева, мха, рыбы объясняется присутствием на них особых светящихся бактерий аэробов. Они имеют особый фермент - люцеферазу, который химическую энергию АТФ переводит в энергию света.

К анаэробным относятся палочки столбняка, ботулинуса, масляно-кислые бактерии, возбудители газовой гангрены и др.

К аэробам относятся нитрифицирующие, уксуснокислые, азотобактерии, миксобактерии, плесени, микобактерии, холерный вибрион. Факультативные анаэробы - кишечная палочка, дифтерийная палочка, стрептококк, стафилококк, спириллы и др.

Дыхание - это физиологический процесс, необходимый всем живым организмам для получения энергии. Большинство микроор­ганизмов получают энергию в результате сложного процесса фер­ментативных окислительно-восстановительных реакций, в основе которых лежит отделение и присоединение водорода. Принято счи­тать, что перенос водорода равноценен переносу электрона. Веще­ство, которое отдает электроны, окисляется и является донором. Вещество, которое принимает электроны, восстанавливается и на­зывается акцептором. В качестве доноров электронов могут быть органические и неорганические соединения, а конечными акцепто­рами - только неорганические соединения. В зависимости от ко­нечного акцептора водорода различают аэробное дыхание, анаэ­робное дыхание и брожение . Если конечным акцептором водоро­да является молекулярный кислород, то дыхание называют аэроб­ным, При анаэробном дыхании акцептором являются неорганичес­кие соединения типа нитратов или сульфатов. Если донором и ак­цептором водорода является органический субстрат, то такой энер­гетический процесс называется брожением. При брожении водо­род передается на органическое соединение, образующееся в ходе самого брожения.

В процессе брожения высвобождается меньше энергии, чем в аэробных условиях. В аэробных условиях окисление происходит наиболее полно, с выделением максимального количества энергии. При этом конечными продуктами окисления являются диоксид угле­рода и вода. В анаэробных условиях брожение сопровождается лишь частичным высвобождением энергии, связанной в органических веще­ствах. Поэтому для получения того же количества энергии бактериям в анаэробных условиях приходится расходовать больше органи­ческого субстрата. Это сопровождается накоплением в субстрате не полностью окислившихся веществ, содержащих запасы химичес­кой энергии - спирта, молочной кислоты, лимонной кислоты, масля­ной кислоты и др. В зависимости от продукта, который накапливает­ся в результате такого типа брожения, процессы получили название спиртового, молочного, маслянокислого брожения и т.п.

По отношению микроорганизмов к молекулярному кислороду их принято подразделять на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы.

Облигатные аэробы (от лат. obligatus - обязательный, стро­гий) развиваются при наличии в атмосфере 20 % кислорода, растут на поверхности плотных и жидких питательных сред, содержат ферменты оксидазы, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха. Реакция протекает по схеме рис. 27. Создаваемая разность потенциалов между водородом и кислородом является источником энергии для всех аэробов.

Передача электронов на кислород происходит не прямым путем, а в результате сложного многоступенчатого процесса - дыха­тельной цепи. В эту цепь входит сложный комплекс ферментов и ко ферментов, в том числе цитохромов, которые представляют собою белковые молекулы, соединенные с химической группиров­кой - гемом. Гем содержит атом железа, обладающий способнос­тью попеременно окисляться и восстанавливаться.

Во время прохождения электронов по цепи энергия освобож­дается отдельными небольшими порциями. Часть освобождающей­ся энергии аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфата (АТФ) - происходит окислительное фосфорилирование. Определенное количество энергии выделяется во внешнюю среду. Молодая бактериальная культура вырабатывает больше энергии, чем ей необходимо для жизненных процессов, поэтому иногда на­блюдается саморазогревание субстрата (зерно, навоз, торф и др.), а в отдельных случаях даже самовозгорание.

Рис. 27. Основные схемы цепи переноса электронов

у аэробных микроорганизмов.

Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем коли­честве кислорода. Высокая концентрация кислорода задерживает рост этих микроорганизмов (актиномицеты, лептоспиры, бруцеллы и др.).

Факультативные анаэробы могут размножаться как в при­сутствии, так и в отсутствии кислорода. В первом случае они ис­пользуют в процессах биологического окисления атмосферный кис­лород в качестве конечного акцептора водорода. При недостатке кислорода в качестве акцептора они используют нитраты, сульфа­ты и другие вещества. К этой группе относится большинство мик­роорганизмов. Типичными представителями факультативных анаэ­робов являются кишечная палочка, сальмонеллы и др.

Облигатные анаэробы размножаются в условиях полного отсутствии кислорода в среде обитания. В середине XIX века Пастер в своих исследованиях по брожению показал, что жизнь воз­можна и без кислорода. У организмов, живущих в анаэробных ус­ловиях, т.е. без кислорода, метаболизм основан на брожении. Пастер так и говорил, что брожение - «это жизнь без кислорода)».

В анаэробных условиях микроорганизмы получают энергию при окислении органических субстратов не кислородом воздуха, а связанным кислородом неорганических соединений (нитратов, суль­фатов), которые при этом восстанавливаются. Это объясняется свойством дыхательных анаэробных ферментов - анаэробных или первичных дегидрогеназ, которые могут передавать водород толь­ко на органический субстрат или другим дегидрогеназам. В аэроб­ных условиях аэробные, или вторичные, дегидрогеназы передают водород кислороду воздуха с образованием пероксида водорода. который затем быстро разрушается каталазой. Анаэробы не обла­дают способностью продуцировать фермент каталазу, разрушающему высокотоксичный для бактерий пероксид водорода. Поэто­му для многих видов анаэробов кислород токсичен даже в ничтож­ных концентрациях.

Кроме того, при наличии кислорода в среде происходит инак­тивация жизненно важных ферментов анаэробов, в результате чего они теряют способность к нормальному питанию. При добавлении в среду редуцирующих веществ, например, глюкозы, жизнедеятель­ность микроорганизмов восстанавливается.

Коблигатным анаэробам относятся: палочка масляиокислого брожения (Clostridium butirycum), палочка ботулизма (Clostridium botulinum), палочка столбняка (Clostridium tetani) и др.

Введение

питание дыхание микроорганизм бактерия

Как известно, микроорганизмы черпают энергию, необходимую для поддержания их жизнедеятельности, за счет различного рода процессов окисления органических (а иногда и неорганических) веществ. При этом окисление происходит путем отщепления от субстратов водорода (или электронов). Водород переносится по цепи ферментов и в конечном итоге соединяется с кислородом, образуя воду. Анаэробный же способ извлечения энергии характеризуется тем, что свободный кислород в нем не принимает участия, а органические субстраты окисляются только за счет отщепления водорода. Освобождающийся водород либо присоединяется к продуктам распада того же самого органического вещества, либо выделяется в газообразном состоянии.

Типы дыхания микроорганизмов

Дыхание микробов представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду.

В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление - его присоединения. Эти же термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и электронов или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении - их при-соединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.

Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливается окислительно-восстановительным потенциалом. По предложению М. Кларка, его обозначают гН2 (отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода). Это степень насыщения среды кислородом или водородом. Диапазон J Н2 колеблется от 0 до 42,6. При П12<.,28 среда характеризуется восстановительными свойствами, при НТ2,.>28 окислительными, при iil2, равным 28, среда нейтральная.

Аэробы живут при более высоком окислительно-восстановительном потенциале (ili2 14-35), анаэробы- при более низком (гН2 0-12). Попы Н1 (про тоны), каковыми они в сущности и являются, переносятся против электрохимическою градиента, то есть из среды с меньшей концентрацией в среду, где их много. Процесс переноса протонов связан с потреблением энергии. Проникновение ионов водорода через мембрану происходит не по законам осмоса, а активно, с помощью насоса, который называется водородной помпой. Таким образом, биологические преобразования в цитоплазме микробной клетки связаны с движением протонов и электронов, но это не простое электрическое движение, а сложный биохимический процесс, который осуществляется при помощи ферментов. Последние катализируют реакции, ускоряют разрыв ковалентных связей и тем самым снижают энергию активации.

Электроэнергия, вырабатываемая микробами, может быть использована даже в некоторых приборах. В настоящее время сконструированы передатчики, работающие на биологической электроэнергии, ее вырабатывают микроорганизмы, питающиеся сахаром, растворенным в морской воде. (Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления, главным образом сложных органических соединений, образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление?!

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов- углеводы. При их расщеплении, которое происходит разными путями, получается важный промежуточный продукт - пировиноградная кислота (пируват). Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и дыхательной цепи (рис. 17). В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца - до образования углерода диоксида и воды с освобождением большого количества энергии: С6Н12Об + 602 -* 6С02 4- 6Н20 + 2874,3 кДж.

Она соответствует запасу потенциальной энергии гексозы, то есть тому ее количеству, которое было аккумулировано в молекуле сахара при фотосинтезе его из углерода диоксида и воды в зеленых растениях. Передача электронов водорода на кислород осуществляется через дыхательную цепь, или цепь переноса электронов. Дыхательная цепь - это система дыхательных фермен¬тов, которые находятся в мембранах. Мембраны, как известно, контактируют с цитоплазмой клетки, в результате чего происходит их взаимодействие.

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, они образуются плесневыми грибами.

Анаэробы - организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратногофосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

На схеме 1 показан транспорт электронов при дыхании и различных типах анаэробного способа получения энергии. Водород и электроны отщепляются от субстратов с помощью пиридиннуклеотидных ферментов (ПН). Далее они у аэробов проходят по цепи ферментов с возрастающими потенциалами-флавопротеидные (ФП - цитохромные ферменты (Цит.) - и с помощью цитохромоксидазы (Цит. оке.) переносятся на кислород. Поток электронов направлен от системы с более низким (более отрицательным потенциалом) к системе с более высоким (более положительным) потенциалом, от - 0,8 - 0,4 в (потенциал субстрата) до +0,8 в (потенциал кислорода).

Таким образом, при дыхании конечным акцептором водорода является кислород. У анаэробов в качестве акцепторов водорода выступают либо органические субстраты (брожение), либо неорганические вещества, такие, как нитраты или сульфаты («анаэробное дыхание»). Из схемы видно, что наиболее просто и примитивно транспорт электронов осуществляется у большинства анаэробов из-за отсутствия у них ферментов цепи переноса электронов, способных передавать электроны по цепочке вплоть до молекулярного кислорода.

Молекулярный кислород отрицательно действует на рост и активность облигатных анаэробов. В присутствии свободного кислорода клетки анаэробов теряют подвижность. Благодаря этой реакции анаэробы были впервые обнаружены Пастером. Однажды он рассматривал под микроскопом каплю бродящей жидкости (при маслянокислом брожении), помещенную между двумя тонкими плоскими стеклышками, и заметил, что клетки, находящиеся по краям препарата (куда кислород воздуха свободно проникал), становились внезапно неподвижными, а палочки, находящиеся в центре препарата (куда воздух не проникал), продолжали очень активно двигаться.

Отсюда Пастер сделал вывод, что кислород воздуха ядовит для некоторых микробов, и разделил последние на две группы - аэробов и анаэробов. Противники Пастера (например, Трекюль) возражали против утверждения о существовании бактерий, для которых кислород воздуха может быть смертельным, и приводили в пример споры анаэробов, способные длительное время сохраняться на воздухе. На это Пастер отвечал, что споры не являются настоящими живыми существами, так как они не питаются и не размножаются. Последующее развитие науки подтвердило положения Пастера. Так, было показано, что спорам бактерий свойствен крайне выраженный анабиоз и обмен веществ у них находится на таком низком уровне, что его даже не удается измерить с необходимой точностью. В связи с этим споры не чувствительны ко многим повреждающим факторам, а споры анаэробов могут, кроме того (в отличие от вегетативных клеток), легко сохраняться на воздухе.

Вопрос, почему кислород является токсичным для апаэробов, еще недостаточно выяснен. Одни исследователи считают, что токсическое действие кислорода связано с образованием в культурах анаэробных микроорганизмов ядовитых концентраций перекиси водорода, образующейся в результате окисления субстрата кислородом воздуха. Причиной накопления перекиси водорода является отсутствие у анаэробов фермента каталазы (разлагающего перекись). Имеются сообщения, что некоторые штаммы клостридиев могут расти и в аэробных условиях, если к среде добавлена каталаза. Но, с другой стороны, очень важным фактором, определяющим развитие анаэробов, являются окислительно-восстановительные условия среды. Они выражаются через окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), измеряемый в вольтах (напряжение на электроде, погруженном в испытуемую среду). Окислительно-восстановительные условия можно выразить также через показатель rН2, характеризующий соотношение между Н2 и О2. rН2 в пределах от 0 до 40 характеризует все степени восстановленности или окисленности среды в зависимости от насыщения ее кислородом либо водородом. Подробные исследования условий развития апаэробов показали, что облигатные анаэробы не могут развиваться при rН2 (или ОВП) выше определенного предела. rН2 в среде можно измерить либо электрометрическим способом (с помощью потенциометров), либо с помощью красителей, которые восстанавливаются и обесцвечиваются (или изменяют цвет) при определенных значениях rН2. Так, например, краситель янусгрюн в аэробных условиях при rН2 = 20 и выше имеет в растворе зелепый цвет, при rН2 в пределах 12-14 - розовый цвет, а при еще более низких значениях rН2 он обесцвечивается.

Анаэробы - обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня:

Факультативные анаэробы

Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы

Аэротолерантные анаэробы

Умеренно-строгие анаэробы

Облигатные анаэробы

Если организм способен переключаться с одного метаболического пути на другой (например, с анаэробного дыхания на аэробное и обратно), то его условно относят к факультативным анаэробам

До 1991 года в микробиологии выделяли класс капнеистических анаэробов, требовавших пониженной концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислоты (Бруцеллы бычьего типа - B. abortus)

Умеренно-строгий анаэробныйорганизм выживает в среде с молекулярным O2, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O2.

Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O2 гибнут - например, представители (рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium,Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде. К облигатным анаэробам относятся некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и инфузории.

При этом характерным только для анаэробов является гликолиз, который в зависимости от конечных продуктов реакции разделяют на несколько типовброжению:

молочнокислое брожение - род Lactobacillus,Streptococcus,Bifidobacterium, а также некоторые ткани многоклеточных животных и человека. спиртовое брожение - сахаромицеты, кандида(организмы царства грибов)

муравьинокислое - семейство энтеробактерий

маслянокислое - некоторые виды клостридий

пропионовокислое - пропионобактерии(например, Propionibacterium acnes)

брожение с выделением молекулярного водорода -некоторые виды клостридий, ферментация Stickland

метановое брожение - например, Methanobacterium

Типы питания у микроорганизмов

Автотрофы (хемолитотрофы, фотолитотрофы) получают углерод из углерода диоксида (С02) воздуха и создают органическое вещество при помощи энергии, освободившейся в процессе окисления некоторых минеральных соединений (хемосинтез) или энергии солнца (фотосинтез). Явление хемосинтеза у хемолитотрофов впервые (1887) установлено русским микробиологом С. Н. Виноградским при изучении бесцветных серобактерий, нитрифицирующих и других микроорганизмов. Энергия, образуемая в процессе окислительных реакций, используется затем бактериями для усвоения углерода и создания органического вещества.

Фотолитотрофы (сине-зеленые водоросли, пурпурные серобактерии и другие микробы) обладают фотосинтезирующей способностью, так как содержат в своем составе пигменты (красящие вещества). Пигменты фотолитотрофов по своему составу близки к хлорофиллу зеленых растений. Фотобактерии, как и растения, создают органическое вещество, используя углерод из углерода диоксида и энергии солнца. Автотрофы могут развиваться в чисто минеральных средах, они не способны усваивать более сложные соединения углерода и поэтому не являются патогенными для животных.

Источники энергии

Наиболее доступные источники углерода для бактерий - углеводы и аминокислоты, что учитывают при изготовлении питательных сред.

Аутотрофия. Пищевые потребности аутотрофных [от греч. auto, сам, + trophe, питание бактерий ограничены; для их роста достаточно внесения в среду неорганических соединений, содержащих азот и другие минеральные элементы. Лутотрофные бактерии в качестве источника углерода утилизируют двуокись углерода или карбонаты. Такие бактерии способны синтезировать вce необходимые соединения из простых веществ. К ним относят фото- и хемотрофные (хемосинтезирующие) бактерии, использующие соответственно в качестве источника энергии электромагнитное излучение (свет), либо энергию окислительно-восстановительных реакций с участием субстратов, которые служат для них источником питания. Среди аутотрофов не обнаружено видов, имеющих медицинское значение.

Азот необходим бактериям для синтеза аминокислот (белков), пуриновых и пирим иди новых нуклеотидов, а также некоторых витаминов. Поскольку азот во всех живых организмах содержится в восстановленной форме, все минеральные формы азота с большей, чем у аммиака, степенью окисленности должны быть восстановлены.

Ряд микроорганизмов способен утилизировать азот только из органических соединений (аминогетеротрофы). Некоторые из микроорганизмов усваивают азот в виде неорганических форм (аминоаутотрофы). Однако многие микроорганизмы способны использовать как органический, так и минеральный азот.

Использование неорганического азота

В природе атомы минерального азота существуют в различной степени окисленности: от N5+ (N205, азотный ангидрид) до N3- (NH3, аммиак). Степень усвояемости минеральных соединений азота бактериями определяется лёгкостью их превращения в аммиак, так как он является самым простым предшественником высокомолекулярных азоторганических соединений. В этой группе бактерий возможны два разнонаправленных процесса: ассимиляция (связывания минеральных форм азота в органический материал) и диссимиляция (выделения газообразных форм азота).

Ассимиляционные процессы. Связывание минеральных форм азота происходит в ходе азотфиксации, ассимиляции аммиака и ассимиляционной нитратредукции.

Азотфиксация. Азотфиксирующие бактерии (например, Rhizobiut, Azotobacter, Clostridium, Klebsiella и др.) способны утилизировать азот из атмосферного воздуха, восстанавливая его до аммония с помощью специального фермента (нитрогеназа) в процессе, называемом азотфиксация.

Ассимиляция аммиака. Большинство бактерий усваивает аммоний в ходе ассимиляции аммиака. Бактерии, растущие на средах с аммонием, могут непосредственно включать его в органические соединения. Следует помнить, что после потребления неорганических аммонийных солей в среде накапливаются анионы (SO4, Сl, H3PO4 и др.), снижающие рН среды, что замедляет рост культур. Аммонийные соли органических кислот менее подкисляют среду и более благоприятны для роста бактерий.

Ассимиляционная нитратредукция. Подавляющее большинство бактерий и грибов, как и растения, усваивают нитрат в процессе ассимиляционной нитратредукции. На первом этапе нитраты восстанавливаются до нитритов, цикл этих превращений катализирует специфический фермент - ассимиляционная нитратредуктаза В. Второй этап представляет комплекс восстановительных реакций, катализируемых нитритредуктазой, что приводит к образованию аммиака, который используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих компонентов клетки.

Механизм поступления питательных веществ

Экзо-ферменты, локализованные на внешней стороне клеточной мембраны. У бактерий Э. могут выделяться во внешнюю среду или находиться между клеточной стенкой и клеточной мембраной.

Классификация ферментов.

В настоящее время известно более 2000 ферментов, поэтому возникла необходимость в научно обоснованной их классификации. По классификации, разработанной специальной комиссией Международного биохимического союза (1961), все/ферменты объединены в шесть классов: окендоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы, или синтетазы.

Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты. Они ускоряют процессы восстановления и окисления различных веществ, играют большую роль и процессах дыхания микробов. Эта группа миогочисленна, она включает более 200 ферментов. Вот некоторые из них.

Дегидрогеназы - ферменты, которые ведут процесс биологического окисления путем отнятия водорода от субстрата донора и переноса его на кислород или другой акцептор. Различают аэробные и анаэробные дегидрогеназы. Аэробные дегидрогеназы переносят водород как непосредственно на молекулярный кислород, так и па другие системы, они получили название оксидаз. Анаэробные дегидрогеназы вступают во взаи-модействие с субстратом, отнимают у него водород и передают акцептору, но не кислороду воздуха. Цитохромоксидазы - ферменты, переносящие, электроны. Цитохромоксндаза активирует молекулярный кислород и с его помощью окисляет восстановленный цитохром, актив ной группой которого является гемин. Каталаза содержится в клетках аэробных микробов и относится к группе геминовых ферментов, содержащих в своей молекуле трехвалентное железо, способное терять электроны (окисляться). При действии каталазы на перекись водорода происходит ее восстановление, образуются вода и молекулярный кислород. Пероксидаза содержится в некоторых микробах, она активирует кислород перекиси водорода и ускоряет окисление различных органических соединении.

Гидролизы - ферменты, ускоряющие реакции гидролиза, то есть процесса расщепления сложных веществ па более простые с присоединением молекулы, воды. Они имеются у многих микроорганизмов. Гидролазы объединяют более 200 ферментов. В эту группу входят: эсте разы, расщепляющие сложные эфиры, образованные органическими кислотами и спиртами; фосфатазы, гидролизующие сложные эфиры, образованные спиртами и фосфорной кислотой; глюкозидазы, расщепляющие глюкозидные связи в углеродах и их производных; пептидазы; ускоряющие гидролиз пептидных связей в белках; амидазы, ускоряющие гидролиз амидов, аминокислот и других соединений.

Лиазы - ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путем ту или иную группу (реакция между углеродом и кислородом, азотом, серой, галоидом). Этот класс объединяет около 90 ферментов. Наиболее важное значение из них имеют карбоксилаза, альдегидлиаза (альдолаза) и др.

Изомеразы - ферменты, ускоряющие перемещение внутри молекул водорода, фосфора и двойных связей, что имеет важное значение в обмене веществ. К этой группе относятся фосфогексоизомераза, триозофосфотизомераза и др.

Лигазы или синтетазы - ферменты, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых за счет распада пирофосфорных связей (в АТФ или других богатых энергией пирофосфатов). Лигазы играют большую роль в синтезе белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений. В этот класс входит около 100 ферментов. Представители этой группы - аспарагинсинтетаза, глютамипсинтетаза и др.

Дыхание относится к реакциям катаболизма. В результате дыхания происходит расщепление сложных молекул до простых с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ (КПД около 40%).

АДФ + Ф + Е = АТФ

Процесс дыхания – это реакция окисления углеводов, которая может происходить в бескислородных условиях – анаэробный тип дыхания или гликолиз, и в присутствии кислорода – аэробный тип дыхания или окислительное фосфорилирование.

По типу дыхания бактерии делятся на аэробные и анаэробные. Существуеют бактерии облигатные ааэробы – растут только в присутствии кислорода (например микобактерии туберкулеза). Облигатные анаэробы растут только в бескислородных условиях (например возбудитель ботулизма). Факультативные анаэробы могут расти как в кислородной, так и бескислородной среде (кишечная палочка). Микроаэрофилы – им требуется для своего роста низкая концентрация кислорода (гемофильная палочка).

Брожение не является в полном смысле дыханием – это субстратное фосфорилирование углеводов или гликолиз с образованием пирувата и последующим превращением его в конечные продукты брожения – органические кислоты и спирты.

В результате гликолиза из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ.

Аэробный тип дыхания или окислительное фосфорилирование

Схема Глюкоза- окислительное фисфирилирование- 38АТФ + 6СО2 + 6Н2О

Анаэробный тип дыхания . Схема та же, что при аэробном, но акцептором электронов служат нитриты, либо нитраты, либо фосфаты.

Факультативные анаэробы при отсутствии кислорода получают АТФ с помощью брожения.

Молекулы образовавшегося АТФ участвуют в синтезе органических соединений, отдавая свою энергию и првращаясь в АДФ

А + В + АТФсинтез АВ + АДФ + Ф

Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие молекулярного кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов).

Облигатные анаэробы - бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является вредным, задерживающим рост фактором (клостридии столбняка, анаэробной инфекции, ботулизма и др.).

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Медицинская микробиология, ее предмет, методы, связь с другими науками

Микроскопия люминесцентная свечение под воздействием энергии света эл лучей ионизир излуч собственная без окраски наведенная окр.. микроскопич метод метод изучения моРФ и тинкториальных св в бактерий на.. химический состав бактериальной клетки вода..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Медицинская микробиология, ее предмет, методы, связь с другими науками
Микробиология –наука о микроорганизмах, т.е. о живых существах, размеры которых меньше 0,1 мм. Микроорганизмы весьма разнообразны. К ним относятся некоторые многоклеточные организмы, простейшие, не

Основные этапы развития микробиологии
I. Эвристический – Гиппократ – причина болезней невидимые вещества – миазмы II. Морфологический – Левенгук – обнаружил в микроскоп живые организмы. Ивановский – открыл вирусы. III

Микроорганизмы и их положение в системе живого мира
Классификация микроорганизмов. Представлены доклеточными (царство Vira – вирусы) и клеточными формами (бактерии, грибы, простейшие). Среди клеточных форм жизни различают 3 домена: Bacteria

Структура бактериальной клетки
Главными отличиями прокариотической (бактериальной) клетки от эукариотической является: отсутствие оформленного ядра (т.е. ядерной мембраны), отсутствие внутриклеточных мембран,ядрышек, комплекса Г

Химический состав бактериальной клетки
Химический состав бактерий Вода – 70%, Сухое вещество – 30%. Белки – 52, полисахариды – 16. Липиды – 9,4, РНК – 16, ДНК – 3.2, неорганические соединения – 0,4. Потребность бактери

Спорообразование
При неблагоприятных условиях некоторые бактерии способны образовывать эндоспоры - покоящиеся клетки. Одна клетка образует одну эндоспору, т.е. спорообразование не является формой размножения, а слу

Действие физических факторов на микроорганизмы
Стерилизация - полное освобождение какого-либо вещества или предмета от вегетативных форм и спор микро­организмов путем воздействия на них физических и химичес­ких факторов. В хирургии стерилизуют

Действие химических факторов на микроорганизмы. Дезинфекция
Дезинфекция (обеззараживание) - (франц. "des" означающее удаление, уничтожение чего-либо; лат "inficere" -заражать, портить, отравлять) - удаление и уничтожение ве­гетативных фо

Питание бактерий
По типу питания бактерии подразделяются на аутотрофов и гетеротрофов. Аутотрофы способны усваивать углерод из СО2. Гетеротрофы усваивают углерод только из органических соединений.

Питательные среды
В лабораторных условиях бактерии выращивают на пита­тельных средах. Большое значение для роста и размножения бактерий имеют температурные условия. Все микроорганизмы по отношению к температурному р

Ферменты бактерий, их биологическая роль
Ферменты - биологические катализаторы высокомолекулярной структуры, вырабатываемые живой клеткой. Они имеют белковую природу, строго специфичны и играют важнейшую роль в обмене веществ микроорганиз

Рост и размножение микроорганизмов
Под размножением бактерий подразумевают способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей на единицу объема. Рост означает увеличение массы бактерий в результате синтеза клеточного

Актиномицеты, их морфология
Актиномицеты (аей§ - луч, туЬм - гриб) - лучистые грибы, представляют собой многочисленную группу микроорганизмов, вклю­ченных в порядок АсйпотусеШез, Большинство актиномицетов - свободнож

Риккетсии, их морфология и биологические свойства
Риккетсии представляют собой полиморфные микроорганизмы, живут и размножаются только в клетках (цитоплазме и ядре) тканей животных, человека и переносчиков. Кокковидные формы имеют вид очень мелких

Морфология и ультраструктура микоплазм
Микоплазмы принадлежат к классу Mollicutes, порядку Mycoplasmatales, семейству Мусор1аsmaсеае. Это мелкие бакте­рии размером 100-150 нм, иногда 200-700 нм, не образующие спор, неподвижные, грамотри

Хламидии, морфология и другие биологические свойства
К роду Chlamydia, семейству Chlamydiaceae, порядку Chlamydiales принадлежат возбудители трахомы, конъюнктивитов (бленнореи с включениями), пахового лимфогранулематоза (бо­лезнь Никола - Фавра), орн

Грибы, их морфология и биологические свойства
Систематика и классификация грибов. Грибы отнесены к растительным гетеротрофным организмам-эукариотам, ли­шенным хлорофилла. Тип грибов (Fungi s. Mycetes) насчитыва­ет свыше 100 000 видов, объедине

Дрожжеподобные грибы рода кандида
Возбудители кандидоза. К ним относят дрожжеподобные грибы из рода Candida. Они представляют собой одноклеточные организмы (рис. 134), размножающиеся почкованием; конидий и аскоспор не образуют, ист

Дейтеромицеты
Дейтеромицеты - несовершенные грибы (Fungi imperfecti), очень большая группа (25 000 видов) грибов, обладающих многоклеточным мицелием, но не имеющих ни сумчатого, ни базидиального спороношения, а

Взаимодействие вируса с клеткой
Репродукция вирусов. Цикл репродукции вирусов состоит из ряда последовательных событий: Специфическая адсорбция вируса на поверхности клетки Проникновение внутрь клетки

Культуры клеток, их виды
Для культивирования вирусов используют культуры клеток, куриные эмбрионы и лабораторных животных. Наиболее широкое применение нашли однослойные культуры трипсинизированных клеток, а также перевивае

Изменчивость микроорганизмов
Исследователи, стоявшие у истоков бактериологии, столкнулись с разнообразием видов бактерий и кажущейся возможностью метаморфоз, взаимопревращений одних бактерий в другие создали учение о плеоморфи

Мутации
Изменения последовательности азотистых оснований в ДНК. Виды: Выпадение (делеция) или вставка (инсерция) одного или нескольких оснований со сдвигом рамки считывания. Заме

Генетические рекомбинации
Рекомбинации - Наследственная изменчивость, обусловленная обменом участками ДНК между микроорганизмами, один из которых является донором, а другой – реципиентом. Виды рекомбинаций: Трансформация, к

Распространение микробов в природе
Объект Характер загрязнения Санитарно-показательные бактерии Вода Фекаль

Нормальная микрофлора тела человека
Макроорганизм и среда представляют единую экологическую систему, в которой важная физиологическая роль принадлежит микроорганизмам. Макроорганизм и его микрофлора (аутофлора) в нормальных условиях