Аеробне дихання мікроорганізмів. Аероби та анаероби

Дихання мікроорганізмів- пов'язаний окислювально-відновний процес, при якому відбувається перенесення електронів і протонів від речовини, що окислюється до відновлюваного, в результаті утворюється АТФ - універсальний акумулятор хімічної енергії.

Усі фізіологічні процеси – харчування, зростання, розмноження, утворення спор, капсул, вироблення токсинів – здійснюються за постійного припливу енергії. Мікроби видобувають енергію за рахунок окислення різних хімічних сполук: вуглеводів (найчастіше глюкози), спиртів, органічних кислот, жирів. Основну роль диханні більшості мікроорганізмів грає цикл трикарбонових кислот, де органічні речовини як джерело енергії окислюються до Вуглекислий газі води, а відібраний від них піридиновими та флавіновими ферментами електрон передається по дихальному ланцюгу активованому кисню. Енергія, що звільнилася в результаті цих процесів, закріплюється в АТФ або інших органічних фосфатах. У мікроорганізмів, крім циклу трикарбонових кислот може проходити цикл дикарбонових кислот, пентозофосфатний шунт.

За типом дихання всі мікроорганізми поділяються на:

1) облігатні (суворі) аероби,

2) облігатні анаероби,

3) факультативні (необов'язкові) анаероби,

4) мікроаерофіли.

Суворі аероби (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis) не можуть жити і розмножуватися без молекулярного кисню, так як вони його використовують як акцептор електронів. Молекули АТФ утворюються ними при окислювальному фосфорилюванні за участю оксидаз і флавінзалежних дегідрогеназ з подальшим включенням до циклу трикарбонових кислот. При цьому якщо кінцевим акцептором електронів є молекулярний кисень, виділяється значна кількість енергії.

Облігатні анаероби (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens,бактероїди) здатні жити і розмножуватися тільки без вільного кисню повітря. Вони можуть утворювати АТФ внаслідок окислення вуглеводів, білків, ліпідів шляхом субстратного фосфорилювання до пірувату (піровиноградної кислоти). При цьому виділяється невелика кількість енергії. Акцептором водню або електронів у анаеробів може бути сульфат. Якщо донорами та акцепторами водню є органічні сполуки, такий процес називається бродінням. За кінцевим продуктом розщеплення вуглеводів розрізняють спиртове, молочнокисле, оцтовокисле, мурашинокисле, маслянокисле та пропіоновокисле бродіння. Наявність вільного кисню для суворих анаеробів є згубним, тому що у них немає ферментів (каталаз), здатних розщеплювати Н2О2; знижений окислювально-відновний (редокс) потенціал; відсутні цитохроми.

Факультативні анаеробиможуть рости і розмножуватися як у присутності кисню, так і без нього (стафілококи, кишкова паличка). Вони утворюють АТФ при окисному та субстратному фосфорилуванні. Факультативні анаероби можуть здійснювати анаеробне дихання, яке називається нітратним. Нітрат, що є акцептором водню, відновлюється до молекулярного азотута аміаку. Серед факультативних анаеробів розрізняють аеротолерантні бактеріїякі ростуть за наявності молекулярного кисню, але не використовують його.

Мікроаерофілизростають при зниженому парціальному тиску кисню. Розрізняють мікроаерофільні аероби(наприклад, гонококи), які краще культивуються при зменшеному вмісті Про 2 (близько 5%), та мікроаерофільні анаероби, які здатні рости в анаеробних та мікроаерофільних умовах, але не культивуються у звичайній повітряному середовищіабо в СО 2 .

Виділяють також капнофільні мікроорганізми. Вони є бактеріями, які ростуть у присутності підвищених концентрацій вуглекислого газу (3-5%). До них відносяться бактероїди, фузобактерії, гемофільні бактерії та ін.

Методи культивування суворих анаеробів:

1) Посів уколом у високий стовпчик цукрового агару, який зверху заливається шаром вазелінової олії.

2) Посів на середовище Кітта-Тароцці (МПБ, глюкоза, шматочки печінки або м'яса як редукуючі речовини, зверху середа залита шаром вазелінової олії).

3) Видалення повітря із середовища механічним шляхом. Використовують анаеростати, з яких викачується повітря.

4) Заміна повітря іншим індиферентним газом, наприклад, азотом, аргоном, воднем.

5) Механічний захист від кисню повітря (метод Віньяль-Вейона). Беруть скляну трубку, один кінець якої витягують у капіляр, розплавляють агар, в нього засівають культуру і потім насмоктують агар у стерилізовану трубку, потім капіляр запаюють і поміщають трубку в термостат. У середовищі виростають колонії, які можна витягти, розпилявши трубку.

6) Хімічне поглинання кисню повітря, наприклад лужним розчином пірогалолу.

7) Біологічний метод – комбінований посів культур анаеробів та аеробів. Посів роблять на чашку з товстим шаром кров'яного агару з глюкозою, розділену навпіл невеликою доріжкою, вирізаною посередині чашки прожареним скальпелем. На одній половині чашки роблять посів культури аеробів, а на іншій – анаеробів. Краї чашки змащують парафіном для герметизації та поміщають у термостат. Спочатку відбувається зростання аеробів, коли вони вичерпують із чашки кисень, починається зростання анаеробів.

Дихання є джерелом енергії для живих істот. Синтетичні процеси побудови протоплазми, процеси росту, розмноження, руху та ін., що відбуваються в мікробній клітині, вимагають припливу вільної енергії, оскільки ці процеси ендотермічні. Тому в мікробній клітині постійно відбуваються одночасно з процесами асиміляції процеси дисиміляції, що звільняють енергію для її життєдіяльності.

Сукупність біохімічних процесів, у яких утворюється енергія, необхідна життєдіяльності клітини, становить енергетичний обмін. На противагу вищим організмам енергетичний обмін мікроорганізмів має різноманітні форми: дихання, бродіння та інших.

Диханням називається окислення органічних речовин за допомогою газоподібного кисню до вуглекислоти та води. Так, окислення цукру в процесі дихання виражається рівнянням З 6 Н 12 О 6 +6О 2 = 6СО 2 +6Н 2 О + енергія. Це рівняння протилежне до рівняння фотосинтезу 6СО 2 +6Н 2 Про+енергія=C 6 H 12 Про 6 +6O 2 .

У 1861 р. Луї Пастер щодо масляно-кислого бродіння встановив, що збудник цього бродіння (Вас. butyricus) нормально розвивається лише відсутність вільного кисню, енергію він доручає з допомогою реакції розщеплення органічного субстрату. Пастер визначив суть бродіння як життя без кисню. Кисень повітря не бере участі в бродінні, а органічна речовина окислюється за рахунок відібрання водню, який приєднується до продуктів розпаду цієї ж органічної речовини або виділяється в газоподібному стані.

Автотрофи отримують енергію за рахунок окислення простих не органічних сполук: сірководню, аміаку, водню. Денітрифікуючі та десульфофікуючі бактерії отримують енергію шляхом окислення відповідно нітратів та сульфатів, але вони можуть отримувати енергію і за рахунок окислення органічних речовин. У деяких мікробів реакція окиснення киснем не доходить до кінцевих продуктів - СО 2 і Н 2 О. Такий неповний окисний процес спостерігається у оцтовокислих бактерій, що окислюють спирт тільки до оцтової кислоти, і деяких видів плісняв, що розкладають цукор до щавлевої та лимонної кислот.

Гнильні бактерії використовують енергію, що звільняється при розщепленні ними білків, при цьому енергія хімічних зв'язківамінокислот перетворюється на енергію АТФ.

По відношенню до кисню мікроби поділяються на дві групи: аероби, що розвиваються лише за наявності кисню у навколишньому середовищі, та анаероби, що розвиваються за відсутності вільного кисню. Крім того, є ще одна проміжна група - факультативні анаероби, здатні жити як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Є також мікроаерофіли, що розвиваються при зменшеній кількості кисню в середовищі, наприклад, бруцельозна паличка.

Хімічна енергія, що утворюється, тільки частково розсіюється у вигляді тепла. Більша частина цієї енергії вловлюється і зберігається як макроергічних зв'язків АТФ. Фосфатні групи пов'язані між собою неміцно і легко звільняють свою енергію у потрібних кількостях там, де вона необхідна для життєдіяльності клітини. АТФ, втрачаючи енергію, перетворюється на АДФ (аденозиндифосфат) та на АМФ (аденозинмонофосфат).

1. АТФ+Н 2 О→АДФ+Н 3 РО 4+10000 кал

2. АДФ+Н 2 О→АМФ+Н 3 РВ 4 +10000 кал

АТФ, АДФ, АМФ та фосфорна кислота завжди присутні у різних співвідношеннях у кожній клітині. Ці реакції оборотні, АМФ і АДФ можуть приєднувати до себе фосфорну кислоту і перетворюватися на АТФ. Так забезпечується більш-менш постійна кількістьАТФ у клітині. Запас АТФ у клітині обмежений. Для відновлення макроергічних зв'язків АТФ постійно використовується енергія розщеплення вуглеводів та інших речовин.

Довгий час вважали, що дихання властивий вищим організмам, а бродіння лише мікроорганізмам. Потім було встановлено, що тісно пов'язані друг з одним. Дихання і бродіння є дуже складними комплексами сполучених окислювально-відновних процесів, які визначаються тим чи іншим набором ферментів.

У всіх енергетичних процесах у клітині можна розрізнити три стадії. У першій, підготовчій стадії великі молекули вуглеводів, жирів, білків розпадаються на невеликі молекули глюкози, гліцерину, жирних кислотамінокислот. Відбувається підготовка речовин до подальших перетворень, тут немає помітного вилучення енергії.

У наступній стадії, званої стадією неповного окислення, глюкоза, що утворилися, жирні кислоти та інші речовини піддаються складному багатоступеневому процесу. Таке неповне окислення, яке називається гліколізом чи бродінням. Ця стадія анаеробна. Гліколіз є більше десяти послідовних ферментативних реакцій. З глюкози послідовно утворюється десять різних проміжних речовин (субстратів) та діє стільки ж специфічних ферментів. Весь цей процес йде за типом молочнокислого бродіння, що викликається молочнокислими бактеріями, і має багато подібного зі спиртовим бродінням, що викликається дріжджами.

Процес починає фермент гексокіназу, під впливом якого глюкоза входить у реакцію з АМФ і утворюється гексозо-6-фосфат. Гексозо-6-фосфат під впливом ферменту алдолази перетворюється на фруктозо-6-фосфат тощо. буд. Кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота. Сумарне рівняння всього процесу виражається так: З 6 Н 12 6 =2С 3 H 6 3 .

Останньою стадією процесу є повне окислення субстратів до кінцевих продуктів - СО 2 та Н 2 О. Ця стадія протікає в аеробних умовах. Отже, вона є лише в аеробів. У цій стадії беруть участь органічні кислоти, Що складаються з трьох вуглецевих атомів, чому і назвали її циклом трикарбонових кислот (Крепс, 1953).

Цикл починається з того, що дві молекули молочної кислоти окислюються та дають дві молекули піровиноградної кислоти. Одна з молекул піровиноградної кислоти окислюється із відщепленням однієї молекули вуглекислоти, і утворюється оцтова кислота. Вуглекислота зв'язується з іншою молекулою піровиноградної кислоти, і утворюється щавлевооцтова кислота. Оцтова кислотаз'єднується з коферментом А, відбувається конденсація її з щавлевооцтовою кислотою та водою, і утворюється лимонна кислота.

Лимонна кислота перетворюється на аконітову кислоту. Далі відбувається ще ряд перетворень з утворенням знову щавлевооцтової кислоти, і на цьому цикл закінчується. Лимонна кислота виявляється вся розкладеною. З ферментів у циклі беруть участь дегідрогенази НАД, ФАД, цитохроми. Так, при дегідруванні янтарної кислоти в циклі від неї забирається електрон, він переноситься на ФАД, і утворюється ФАД-Н 2 , янтарна кислота окислюється в фумарову кислоту. Електрони далі просуваються ланцюжком цитохромів до кисню. Відбувається з'єднання з активованим цитохромоксидазою киснем з утворенням води. Безпосередньо ж кисень у реакціях не бере участі.

Підраховано, що в цьому циклі з однієї молекули глюкози утворюється 36 молекул АТФ і в процесі гліколізу дві молекули АТФ, отже, 38 молекул АТФ, або 380 великих калорій з 680 великих калорій, що містяться в грам-молекулі глюкози, тобто. одержано 55% корисної хімічної енергії. Це дуже великий відсоток, але порівняно з к.п.д., одержуваним у техніці (12-25%). Енергія виділялася поступово частинами. Якби вона була виділена відразу, то клітка була б пошкоджена.

Ферменти, що беруть участь у реакціях, розташовані в мітохондріях та локалізовані рядами по порядку їх дії в ході гліколізу та циклу трикарбонових кислот.

Продукти розпаду тріоз частково йдуть на біосинтез. Так, з піровиноградної кислоти може утворитися аланін, з кетоглутарової кислоти - глютамінова кислота, з щавлевооцтової кислоти - аспарагінова кислота шляхом амінування. Оцтова кислота може піти синтез вищих жирних кислот.

Реакції, що протікають при диханні, мають пов'язаний характер окислення-відновлення. У ході реакцій окислення-відновлення розвивається електрорушійна силаяка може бути виміряна у вигляді так званого окислювально-відновного потенціалу (rН 2).

Аероби пристосовані до вищого rН 2 (20 і вище), анаероби - до низького (0-12), факультативні анаероби - 0-20. Знижуючи rН 2 середовища, можна домогтися зростання анаеробів у присутності кисню, а підвищуючи rН 2 вирощувати аероби в анаеробних умовах.

У енергетичному відношенніанаеробне дихання у багато разів менш ефективне, ніж аеробне. Так, якщо при аеробному процесі окислення глюкози до СО 2 і Н 2 Про виходить 674 ккал, то при спиртовому бродінні - 27 ккал, молочнокислому - 18 ккал і при масляно-кислому - всього 15 ккал. Це тим, що кінцевими продуктами анаеробного окислення є органічні сполуки, що зберегли ще великий запас енергії. Наприклад, спирт (продукт спиртового бродіння) чудово горить.

Втрату тепла при бродінні можна спостерігати в культурах, які добре захищені від втрати тепла. За рахунок виділення цього тепла відбувається самонагрівання вологого сіна, гною, торфу та ін.

У бактерій, що світяться, втрата енергії виражається у вигляді світіння. Світіння морської води, гнилого дерева, моху, риби пояснюється присутністю на них особливих бактерій аеробів, що світяться. Вони мають особливий фермент - люцеферазу, який хімічну енергію АТФ перетворює на енергію світла.

До анаеробних відносяться палички правця, ботулінуса, масляно-кислі бактерії, збудники газової гангрени та ін.

До аероб відносяться нітрифікуючі, оцтовокислі, азотобактерії, міксобактерії, плісняви, мікобактерії, холерний вібріон. Факультативні анаероби - кишкова паличка, дифтерійна паличка, стрептокок, стафілокок, спірили та ін.

Дихання – це фізіологічний процес, необхідний для всіх живих організмів для отримання енергії. Більшість мікроорганізмів одержують енергію внаслідок складного процесу ферментативних окисно-відновних реакцій, в основі яких лежить відділення та приєднання водню. Вважають, що перенесення водню рівноцінний перенесення електрона. Речовина, що віддає електрони, окислюється та є донором. Речовина, що приймає електрони, відновлюється та називається акцептором. Як донори електронів можуть бути органічні та неорганічні сполуки, а кінцевими акцепторами - тільки неорганічні сполуки. Залежно від кінцевого акцептора водню розрізняють аеробнедихання, анаеробнедихання та бродіння. Якщо кінцевим акцептором водню є молекулярний кисень, то дихання називають аеробним. При анаеробному диханні акцептором є неорганічні сполуки типу нітратів або сульфатів. Якщо донором і акцептором водню є органічний субстрат, такий енергетичний процес називається бродінням. При бродінні водень передається на органічну сполуку, що утворюється під час самого бродіння.

У процесі бродіння вивільняється менше енергії, ніж у аеробних умовах. В аеробних умовах окислення відбувається найбільш повно, з виділенням максимальної кількостіенергії. При цьому кінцевими продуктами окиснення є діоксид вуглецю та вода. У анаеробних умовах бродіння супроводжується лише частковим вивільненням енергії, що у органічних речовинах. Тож отримання тієї самої кількості енергії бактеріям в анаеробних умовах доводиться витрачати більше органічного субстрату. Це супроводжується накопиченням в субстраті не повністю окислених речовин, що містять запаси хімічної енергії - спирту, молочної кислоти, лимонної кислоти, олійної кислоти та ін. і т.п.

По відношенню мікроорганізмів до молекулярного кисню їх прийнято поділяти на облігатні аероби, мікроаерофіли, факультативні анаероби, облігатні анаероби.

Облігатні аероби(Від лат. obligatus - обов'язковий, строгий) розвиваються за наявності в атмосфері 20% кисню, ростуть на поверхні щільних і рідких поживних середовищ, містять ферменти оксидази, за допомогою яких здійснюється перенесення водню від субстрату, що окислюється до кисню повітря. Реакція протікає за схемою рис. 27. Різниця потенціалів, що створюється між воднем і киснем, є джерелом енергії для всіх аеробів.

Передача електронів на кисень відбувається не прямим шляхом, а внаслідок складного багатоступеневого процесу - дихального ланцюга. У цей ланцюг входить складний комплекс ферментів і ко ферментів, у тому числі цитохромів, які є білковими молекулами, поєднаними з хімічним угрупованням - гемом. Гем містить атом заліза, що має здатність поперемінно окислюватися і відновлюватися.

Під час проходження електронів ланцюгом енергія звільняється окремими невеликими порціями. Частина енергії, що звільняється, акумулюється в макроергічних зв'язках аденозинтрифосфату (АТФ) - відбувається окисне фосфорилювання. Певну кількістьенергії виділяється в зовнішнє середовище. Молода бактеріальна культура виробляє більше енергії, ніж їй необхідно для життєвих процесів, тому іноді спостерігається саморозігрів субстрату (зерно, гній, торф та ін), а в окремих випадках навіть самозаймання.

Мал. 27. Основні схеми ланцюга перенесення електронів

у аеробних мікроорганізмів.

Мікроаерофілипотребують значно меншої кількості кисню. Висока концентрація кисню затримує зростання цих мікроорганізмів (актиноміцети, лептоспіри, бруцели та ін.).

Факультативні анаеробиможуть розмножуватися як у присутності, і у відсутності кисню. У першому випадку вони використовують у процесах біологічного окислення атмосферний кисень як кінцевий акцептор водню. При нестачі кисню як акцептор вони використовують нітрати, сульфати та інші речовини. До цієї групи належать більшість мікроорганізмів. Типовими представниками факультативних анаеробів є кишкова паличка, сальмонели та ін.

Облігатні анаеробирозмножуються в умовах повної відсутності кисню в середовищі. У середині XIXстоліття Пастер у своїх дослідженнях з бродіння показав, що життя можливе і без кисню. У організмів, що у анаеробних умовах, тобто. без кисню, метаболізм заснований на бродінні. Пастер так і говорив, що бродіння - це життя без кисню).

В анаеробних умовах мікроорганізми одержують енергію при окисленні органічних субстратів не киснем повітря, а пов'язаним киснем неорганічних сполук (нітратів, сульфатів), які при цьому відновлюються. Це пояснюється властивістю дихальних анаеробних ферментів - анаеробних або первинних дегідрогеназ, які можуть передавати водень тільки на органічний субстрат або іншим дегідрогеназам. В аеробних умовах аеробні, або вторинні, дегідрогенази передають водень кисню повітря з утворенням пероксиду водню. який потім швидко руйнується каталазою. Анаероби не мають здатності продукувати фермент каталазу, що руйнує високотоксичний для бактерій пероксид водню. Тому для багатьох видів анаеробів кисень токсичний навіть у незначних концентраціях.

Крім того, за наявності кисню в середовищі відбувається інактивація життєво важливих ферментів анаеробів, внаслідок чого вони втрачають здатність до нормального харчування. При додаванні в середу речовин, що редукують, наприклад, глюкози, життєдіяльність мікроорганізмів відновлюється.

Коблігатним анаеробам відносяться: паличка масляніокислого бродіння (Clostridium butirycum), паличка ботулізму (Clostridium botulinum), паличка правця (Clostridium tetani) та ін.

Вступ

харчування дихання мікроорганізм бактерія

Як відомо, мікроорганізми черпають енергію, необхідну для підтримки їхньої життєдіяльності, за рахунок різного родупроцесів окислення органічних (а іноді й неорганічних) речовин При цьому окиснення відбувається шляхом відщеплення від субстратів водню (або електронів). Водень переноситься ланцюгом ферментів і з'єднується з киснем, утворюючи воду. Анаеробний спосіб вилучення енергії характеризується тим, що вільний кисень в ньому не бере участі, а органічні субстрати окислюються тільки за рахунок відщеплення водню. Водень, що звільняється, або приєднується до продуктів розпаду тієї ж самої органічної речовини, або виділяється в газоподібному стані.

Типи дихання мікроорганізмів

Дихання мікробів є біологічним окисленням різних органічних сполук і деяких мінеральних речовин. У результаті окислювально-відновних процесів та бродіння утворюється теплова енергіячастина якої використовується мікробною клітиною, а решта виділяється в навколишнє середовище.

В даний час окислення визначають як процес відібрання водню (дегідрування), а відновлення - його приєднання. Ці терміни застосовують до реакцій, пов'язаних з перенесенням протонів і електронів або тільки електронів. При окисленні речовини відбувається втрата електронів, а при відновленні - їх приєднання. Вважають, що перенесення водню та перенесення електронів – еквівалентні процеси.

Здатність сполук або елементів віддавати або приймати електрони обумовлюється окислювально-відновним потенціалом. На пропозицію М. Кларка, його позначають гН2 (негативний логарифм парціального тиску газоподібного водню). Це рівень насичення середовища киснем чи воднем. Діапазон J Н2 коливається від 0 до 42,6. При П12<.,28 среда характеризуется восстановительными свойствами, при НТ2,.>28 окислювальними, при iil2, рівним 28, нейтральна середовище.

Аероби живуть при вищому окислювально-відновному потенціалі (ili2 14-35), анаероби-при нижчому (гН2 0-12). Попи Н1 (про тони), якими вони є і є, переносяться проти електрохімічного градієнта, тобто з середовища з меншою концентрацією в середу, де їх багато. Процес перенесення протонів пов'язаний із споживанням енергії. Проникнення іонів водню через мембрану відбувається за законами осмосу, а активно, з допомогою насоса, який називається водневої помпою. Таким чином, біологічні перетворення в цитоплазмі мікробної клітини пов'язані з рухом протонів та електронів, але це не просте електричний рух, а складний біохімічний процесщо здійснюється за допомогою ферментів. Останні каталізують реакції, прискорюють розрив ковалентних зв'язківі цим знижують енергію активації.

Електроенергія, що виробляється мікробами, можна використовувати навіть у деяких приладах. В даний час сконструйовано передавачі, що працюють на біологічній електроенергії, її виробляють мікроорганізми, що харчуються цукром, розчиненим у морській воді. (Аеробне дихання мікроорганізмів - це процес, при якому останнім акцептором водню (протонів і електронів) є молекулярний кисень. В результаті окислення, головним чином складних органічних сполук, утворюється енергія, яка виділяється в середу або накопичується в макроергічних фосфатних зв'язках. неповне окислення?

Повне окиснення. Основне джерело енергії у мікроорганізмів-вуглеводи. При їх розщепленні, яке відбувається різними шляхами, Виходить важливий проміжний продукт - піровиноградна кислота (піруват). Повне окислення піровиноградної кислоти відбувається у циклі трикарбонових кислот (цикл Кребса) та дихального ланцюга (рис. 17). В результаті розщеплення глюкози в аеробних умовах процес окислення йде до кінця - до утворення вуглецю діоксиду та води зі звільненням великої кількостіенергії: С6Н12Про + 602 - * 6С02 4 - 6Н20 + 2874,3 кДж.

Вона відповідає запасу потенційної енергії гексози, тобто її кількості, яка була акумульована в молекулі цукру при фотосинтезі його з вуглецю діоксиду і води в зелених рослинах. Передача електронів водню на кисень здійснюється через дихальний ланцюг або ланцюг переносу електронів. Дихальний ланцюг - це система дихальних ферментів, що знаходяться в мембранах. Мембрани, як відомо, контактують з цитоплазмою клітини, внаслідок чого відбувається їхня взаємодія.

Неповне окиснення. Не всі аероби доводять реакції окиснення до кінця. При надлишку вуглеводів у середовищі утворюються продукти неповного окислення, у яких енергія. Кінцевими продуктами неповного аеробного окислення цукру можуть бути органічні кислоти: лимонна, яблучна, щавлева, янтарна та інші, вони утворюються цвілевими грибами.

Анаероби - організми, які отримують енергію за відсутності доступу кисню шляхом субстратного фосфорилювання, кінцеві продуктинеповного окислення субстрату при цьому можуть бути окислені з отриманням більшої кількості енергії у вигляді АТФ у присутності кінцевого акцептора протонів організмами, що здійснюють окислювальне фосфорилювання.

На схемі 1 показаний транспорт електронів при диханні та різних типах анаеробного способу отримання енергії. Водень та електрони відщеплюються від субстратів за допомогою піридиннуклеотидних ферментів (ПН). Далі вони у аеробів проходять по ланцюгу ферментів із зростаючими потенціалами-флавопротеїдні (ФП - цитохромні ферменти (Цит.) - і за допомогою цитохромоксидази (Цит. оке.) переносяться на кисень. Потік електронів спрямований від системи з більш низьким (більше негативним потенціалом) до системи з більш високим (більш позитивним) потенціалом, від - 0,8 - 0,4 (потенціал субстрату) до +0,8 (потенціал кисню).

Таким чином, при диханні кінцевим акцептор водню є кисень. У анаеробів як акцептори водню виступають або органічні субстрати (бродіння), або неорганічні речовини, такі, як нітрати або сульфати («анаеробне дихання»). Зі схеми видно, що найбільш просто і примітивно транспорт електронів здійснюється у більшості анаеробів через відсутність у них ферментів ланцюга перенесення електронів, здатних передавати електрони ланцюжком аж до молекулярного кисню.

Молекулярний кисень негативно діє зростання і активність облігатних анаеробів. У присутності вільного кисню клітини анаеробів втрачають рухливість. Завдяки цій реакції анаероби були вперше виявлені Пастером. Одного разу він розглядав під мікроскопом краплю бродячої рідини (при маслянокислому бродінні), поміщену між двома тонкими плоскими скельцями, і помітив, що клітини, що знаходяться по краях препарату (куди кисень повітря вільно проникав), ставали раптово нерухомими, а палички, що знаходяться (куди повітря не проникало), продовжували дуже активно рухатися.

Звідси Пастер дійшов висновку, що кисень повітря отруйний деяких мікробів, і розділив останні на дві групи - аеробів і анаеробів. Противники Пастера (наприклад, Трекюль) заперечували проти твердження про існування бактерій, котрим кисень повітря може бути смертельним, і наводили приклад спори анаеробів, здатні тривалий час зберігатися повітря. На це Пастер відповідав, що суперечки не є справжніми живими істотами, оскільки вони не харчуються та не розмножуються. Подальший розвиток науки підтвердив положення Пастера. Так було показано, що суперечкам бактерій властивий вкрай виражений анабіоз і обмін речовин у них знаходиться на такому низькому рівні, що його навіть не вдається виміряти з необхідною точністю. У зв'язку з цим суперечки не чутливі до багатьох факторів, що ушкоджують, а суперечки анаеробів можуть, крім того (на відміну від вегетативних клітин), легко зберігатися на повітрі.

Питання, чому кисень є токсичним для апаеробів, ще недостатньо з'ясовано. Одні дослідники вважають, що токсична дія кисню пов'язана з утворенням у культурах анаеробних мікроорганізмів отруйних концентрацій перекису водню, що утворюється внаслідок окислення субстрату киснем повітря. Причиною накопичення перекису водню є відсутність у анаеробів ферменту каталази (що розкладає перекис). Є повідомлення, що деякі штами клостридії можуть зростати і в аеробних умовах, якщо до середовища додана каталаза. Але, з іншого боку, дуже важливим фактором, Що визначає розвиток анаеробів, є окислювально-відновлювальні умови середовища. Вони виражаються через окислювально-відновний потенціал (ОВП), що вимірюється у вольтах (напруга на електроді, зануреному у випробуване середовище). Окисно-відновні умови можна виразити також через показник rН2, що характеризує співвідношення між Н2 та О2. rН2 у межах від 0 до 40 характеризує всі ступені відновленості чи окисленості середовища залежно від насичення її киснем чи воднем. Детальні дослідження умов розвитку апаэробов показали, що облігатні анаероби що неспроможні розвиватися при rН2 (чи ОВП) вище певного краю. rН2 у середовищі можна виміряти або електрометричним способом (за допомогою потенціометрів), або за допомогою барвників, які відновлюються та знебарвлюються (або змінюють колір) при певних значеннях rН2. Так, наприклад, барвник янусгрюн в аеробних умовах при rН2 = 20 і вище має в розчині зелений колір, при rН2 в межах 12-14 - рожевий колір, а при ще більше низьких значеннях rН2 він знебарвлюється.

Анаероби - велика групаорганізмів, як мікро-, так і макрорівня:

Факультативні анаероби

Капнеістичні анаероби та мікроаерофіли

Аеротолерантні анаероби

Помірно-суворі анаероби

Облігатні анаероби

Якщо організм здатний перемикатися з одного метаболічного шляху на інший (наприклад, з анаеробного дихання на аеробне та назад), то його умовно відносять до факультативних анаеробів

До 1991 року в мікробіології виділяли клас капнеїстичних анаеробів, що вимагали зниженої концентрації кисню та підвищеної концентрації вуглекислоти (Бруцели бичачого типу – B. abortus)

Помірно-суворий анаеробний організм виживає у середовищі з молекулярним O2, проте не розмножується. Мікроаерофіли здатні виживати та розмножуватися серед з низьким парціальним тиском O2.

Якщо організм не здатний «переключитися» з анаеробного типу дихання на аеробний, але не гине в присутності молекулярного кисню, він належить до групи аеротолерантних анаеробів. Наприклад, молочнокислі та багато маслянокислі бактерії

Облігатні анаероби у присутності молекулярного кисню O2 гинуть - наприклад, представники (роду бактерій та архей: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium). Такі анаероби постійно живуть у позбавленому кисню середовищі. До облігатних анаеробів належать деякі бактерії, дріжджі, джгутикові та інфузорії.

При цьому характерним тільки для анаеробів є гліколіз, який в залежності від кінцевих продуктів реакції поділяють на кілька типів бродіння:

молочнокисле бродіння – рід Lactobacillus, Streptococcus, Bifidobacterium, а також деякі тканини багатоклітинних тварин та людини. спиртове бродіння - цукроміцети, кандида (організми царства грибів)

мурашинокисле - сімейство ентеробактерій

олійнокисле - деякі види клостридій

пропіонокисле - пропіонобактерії (наприклад, Propionibacterium acnes)

бродіння з виділенням молекулярного водню-деякі види клостридій, ферментація Stickland

метанове бродіння - наприклад, Methanobacterium

Типи харчування у мікроорганізмів

Автотрофи (хемолітотрофи, фотолітотрофи) одержують вуглець з вуглецю діоксиду (С02) повітря та створюють органічну речовину за допомогою енергії, що звільнилася в процесі окислення деяких мінеральних сполук (хемосинтез) або енергії сонця (фотосинтез). Явище хемосинтезу у хемолітотрофів вперше (1887) встановлено російським мікробіологом С. Н. Виноградським щодо безбарвних серобактерій, нітрифікуючих та інших мікроорганізмів. Енергія, що утворюється у процесі окисних реакцій, Потім використовується бактеріями для засвоєння вуглецю і створення органічної речовини.

Фотолітотрофи (синьо-зелені водорості, пурпурові серобактерії та інші мікроби) мають фотосинтезуючу здатність, тому що містять у своєму складі пігменти (фарбуючі речовини). Пігменти фотолітотрофів за своїм складом близькі до хлорофілу зелених рослин. Фотобактерії, як і рослини, створюють органічну речовину, використовуючи вуглець із вуглецю діоксиду та енергії сонця. Автотрофи можуть розвиватися чисто мінеральних середовищах, вони не здатні засвоювати складніші сполуки вуглецю і тому не є патогенними для тварин.

Джерела енергії

Найбільш доступні джерелавуглецю для бактерій - вуглеводи та амінокислоти, що враховують при виготовленні поживних середовищ.

Аутотрофія. Харчові потреби аутотрофних [від грец. auto, сам, + trophe, бактерій харчування обмежені; для їх зростання достатньо внесення в середовище неорганічних сполук, що містять азот та інші мінеральні елементи. Лутотрофні бактерії як джерело вуглецю утилізують двоокис вуглецю або карбонати. Такі бактерії здатні синтезувати всі необхідні сполуки з простих речовин. До них відносять фото- і хемотрофні (хемосинтезуючі) бактерії, що використовують відповідно як джерело енергії електромагнітне випромінювання (світло), або енергію окислювально-відновних реакцій за участю субстратів, які служать для них джерелом живлення. Серед аутотрофів не виявлено видів, що мають медичне значення.

Азот необхідний бактеріям для синтезу амінокислот (білків), пуринових і пирим іди нових нуклеотидів, а також деяких вітамінів. Оскільки азот у всіх живих організмах міститься у відновленій формі, всі мінеральні форми азоту з більшим, ніж у аміаку, ступенем окисленості повинні бути відновлені.

Ряд мікроорганізмів здатний утилізувати азот лише з органічних сполук (аміногетеротрофи). Деякі мікроорганізми засвоюють азот у вигляді неорганічних форм (аміноаутотрофи). Однак багато мікроорганізмів здатні використовувати як органічний, так і мінеральний азот.

Використання неорганічного азоту

У природі атоми мінерального азоту існують у різного ступеняокиснення: від N5+ (N205, азотний ангідрид) до N3- (NH3, аміак). Ступінь засвоюваності мінеральних сполук азоту бактеріями визначається легкістю їх перетворення на аміак, оскільки він є найпростішим попередником високомолекулярних азоторганічних сполук. У цій групі бактерій можливі два різноспрямовані процеси: асиміляція (зв'язування мінеральних форм азоту в органічний матеріал) та дисиміляція (виділення газоподібних форм азоту).

Асиміляційні процеси. Зв'язування мінеральних форм азоту відбувається в ході азотфіксації, асиміляції аміаку та асиміляційної нітратредукції.

Азотфіксація. Азотфіксуючі бактерії (наприклад, Rhizobiut, Azotobacter, Clostridium, Klebsiella та ін) здатні утилізувати азот з атмосферного повітря, відновлюючи його до амонію за допомогою спеціального ферменту (нітрогеназу) у процесі, званому азотфіксацією.

Асиміляція аміаку. Більшість бактерій засвоює амоній під час асиміляції аміаку. Бактерії, що ростуть на середовищах з амонієм, можуть включати його в органічні сполуки. Слід пам'ятати, що після споживання неорганічних солей амонійних в середовищі накопичуються аніони (SO4, Сl, H3PO4 та ін), що знижують рН середовища, що уповільнює зростання культур. Амонійні солі органічних кислот менш підкислюють середовище та більш сприятливі для зростання бактерій.

Асиміляційна нітратредукція. Переважна більшість бактерій та грибів, як і рослини, засвоюють нітрат у процесі асиміляційної нітратредукції. На першому етапі нітрати відновлюються до нітритів, цикл цих перетворень каталізує специфічний фермент - асиміляційна нітратредуктаза В. Другий етап представляє комплекс відновлювальних реакцій, що каталізуються нітритредуктазою, що призводить до утворення аміаку, який використовується для синтезу амінокислот та інших азотовмісних компонентів.

Механізм надходження поживних речовин

Екзо-ферменти, локалізовані на зовнішній стороні клітинної мембрани. У бактерій Е. можуть виділятися у зовнішнє середовище або перебувати між клітинною стінкоюта клітинною мембраною.

Класифікація ферментів.

Нині відомо понад 2000 ферментів, тому виникла потреба у науково обгрунтованій їх класифікації. За класифікацією, розробленою спеціальною комісією Міжнародного біохімічного союзу (1961), всі/ферменти об'єднані у шість класів: окендоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази, лігази, або синтетази.

Оксидоредуктази – окислювально-відновні ферменти. Вони прискорюють процеси відновлення та окислення різних речовин, відіграють велику роль та процесах дихання мікробів. Ця група мичисленна, вона включає більше 200 ферментів. Ось деякі з них.

Дегідрогенази - ферменти, які ведуть процес біологічного окислення шляхом відібрання водню від субстрату донора і перенесення його на кисень або інший акцептор. Розрізняють аеробні та анаеробні дегідрогенази. Аеробні дегідрогенази переносять водень як безпосередньо на молекулярний кисень, так і на інші системи, вони отримали назву оксидаз. Анаеробні дегідрогенази вступають у взаємодію з субстратом, забирають у нього водень і передають акцептору, але не кисню повітря. Цитохромоксидази – ферменти, що переносять, електрони. Цитохромоксндаза активує молекулярний кисень і за його допомогою окислює відновлений цитохром, активною групою якого є гемін. Каталаза міститься в клітинах аеробних мікробів і відноситься до групи гемінових ферментів, що містять у своїй молекулі тривалентне залізо, здатне втрачати електрони (окислятися). При дії каталази на перекис водню відбувається її відновлення, утворюються вода та молекулярний кисень. Пероксидаза міститься в деяких мікробах, вона активує кисень перекису водню і прискорює окислення різних органічних сполук.

Гідролізи - ферменти, що прискорюють реакції гідролізу, тобто процесу розщеплення складних речовин на більш прості з приєднанням молекули, води. Вони є у багатьох мікроорганізмів. Гідролази поєднують понад 200 ферментів. До цієї групи входять: есте рази, що розщеплюють складні ефіри, утворені органічними кислотами та спиртами; фосфатази, що гідролізують складні ефіри, утворені спиртами та фосфорною кислотою; глюкозидази, що розщеплюють глюкозидні зв'язки у вуглецях та їх похідних; пептидази; що прискорюють гідроліз пептидних зв'язків у білках; амідази, що прискорюють гідроліз амідів, амінокислот та інших сполук.

Ліази - ферменти, що відщеплюють від субстратів негідролітичним шляхом ту чи іншу групу (реакція між вуглецем та киснем, азотом, сіркою, галоїдом). Цей клас поєднує близько 90 ферментів. Найбільш важливе значенняз них мають карбоксилазу, альдегідліазу (альдолазу) та ін.

Ізомерази - ферменти, що прискорюють переміщення всередині молекул водню, фосфору та подвійних зв'язків, що має важливе значення в обміні речовин. До цієї групи належать фосфогексоізомераза, тріозофосфотізомераза та ін.

Лігази або синтетази - ферменти, що прискорюють синтез складних сполук з більш простих за рахунок розпаду пірофосфорних зв'язків (АТФ або інших багатих енергією пірофосфатів). Лігази відіграють велику роль у синтезі білків, нуклеїнових кислот, жирних кислот та інших сполук. До цього класу входить близько 100 ферментів. Представники цієї групи - аспарагінсинтетаза, глютаміпсинтетаза та ін.

Дихання відноситься до реакцій катаболізму. В результаті дихання відбувається розщеплення складних молекул до простих з виділенням енергії, що запасається в молекули АТФ(ККД близько 40%).

АДФ + Ф + Е = АТФ

Процес дихання – це реакція окиснення вуглеводів, яка може відбуватися в безкисневих умовах – анаеробний тип дихання або гліколіз, та у присутності кисню – аеробний тип дихання або окисне фосфорилювання.

За типом дихання бактерії діляться на аеробні та анаеробні. Існують бактерії облігатні ааероби – ростуть лише у присутності кисню (наприклад мікобактерії туберкульозу). Облігатні анаероби ростуть тільки в безкисневих умовах (наприклад, збудник ботулізму). Факультативні анаероби можуть зростати як у кисневому, так і безкисневому середовищі (кишкова паличка). Мікроаерофіли - їм потрібна для свого зростання низька концентрація кисню (гемофільна паличка).

Бродіння не є в повному розумінні диханням – це субстратне фосфорилювання вуглеводів або гліколіз з утворенням пірувату та подальшим перетворенням його на кінцеві продукти бродіння – органічні кислоти та спирти.

В результаті гліколізу з 1 молекули глюкози утворюється 2 молекули АТФ.

Аеробний тип дихання або окисне фосфорилювання

Схема Глюкоза-окислювальне фісфірілювання-38АТФ + 6СО2 + 6Н2О

Анаеробний тип дихання. Схема та ж, що з аеробному, але акцептором електронів служать нітрити, або нітрати, або фосфати.

Факультативні анаероби за відсутності кисню одержують АТФ за допомогою бродіння.

Молекули АТФ, що утворився, беруть участь у синтезі органічних сполук, віддаючи свою енергію і перетворюючись в АДФ

А+В+АТФсинтез АВ+АДФ+Ф

Факультативні анаероби можуть розмножуватися як у присутності, так і відсутність молекулярного кисню (більшість патогенних і сапрофітних мікробів).

Облігатні анаероби - бактерії, для яких наявність молекулярного кисню є шкідливим фактором, що затримує зростання (клостридії правця, анаеробної інфекції, ботулізму та ін.).

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

Медична мікробіологія, її предмет, методи, зв'язок з іншими науками

Мікроскопія люмінесцентна свічення під впливом енергії світла ел променів іонізир випромінювання власне без забарвлення наведене окр.. бактеріальної клітинивода..

Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Всі теми цього розділу:

Медична мікробіологія, її предмет, методи, зв'язок з іншими науками
Мікробіологія – наука про мікроорганізми, тобто. про живі істоти, розміри яких менше 0,1 мм. Мікроорганізми дуже різноманітні. До них відносяться деякі багатоклітинні організми, найпростіші, не

Основні етапи розвитку мікробіології
I. Евристичний – Гіппократ – причина хвороб невидимі речовини – міазми ІІ. Морфологічний – Левенгук – виявив у мікроскоп живі організми. Івановський – відкрив віруси. III

Мікроорганізми та їх становище у системі живого світу
Класифікація мікроорганізмів. Представлені доклітинними (царство Vira – віруси) та клітинними формами (бактерії, гриби, найпростіші). Серед клітинних форм життя розрізняють 3 домени: Bacteria

Структура бактеріальної клітини
Головними відмінностями прокаріотичної (бактеріальної) клітини від еукаріотичної є відсутність оформленого ядра (тобто ядерної мембрани), відсутність внутрішньоклітинних мембран, ядерців, комплексу Г

Хімічний склад бактеріальної клітини
Хімічний склад бактерій Вода – 70%, Суха речовина- 30%. Білки – 52, полісахариди – 16. Ліпіди – 9,4, РНК – 16, ДНК – 3.2, неорганічні сполуки – 0,4. Потреба бактерії

Спороутворення
При несприятливі умовидеякі бактерії здатні утворювати ендоспори - клітини, що покояться. Одна клітина утворює одну ендоспору, тобто. спороутворення не є формою розмноження, а слу

Дія фізичних факторів на мікроорганізми
Стерилізація - повне звільненнябудь-якої речовини або предмета від вегетативних форм та суперечка мікроорганізмів шляхом впливу на них фізичних та хімічних факторів. У хірургії стерилізують

Дія хімічних чинників мікроорганізми. Дезінфекція
Дезінфекція (знезараження) - (франц. "des" означає видалення, знищення чого-небудь; лат "inficere" -заражати, псувати, отруювати) - видалення та знищення вегетативних фо

Харчування бактерій
За типом харчування бактерії поділяються на аутотрофів та гетеротрофів. Аутотрофи здатні засвоювати вуглець із СО2. Гетеротрофи засвоюють вуглець лише з органічних сполук.

Поживні середовища
У лабораторних умовБактерії вирощують на живильних середовищах. Велике значеннядля зростання та розмноження бактерій мають температурні умови. Усі мікроорганізми по відношенню до температурного р

Ферменти бактерій, їхня біологічна роль
Ферменти – біологічні каталізатори високомолекулярної структури, що виробляються живою клітиною. Вони мають білкову природу, суворо специфічні та грають найважливішу рольв обміні речовин мікроорганіз

Зростання та розмноження мікроорганізмів
Під розмноженням бактерій мають на увазі здатність їх до самовідтворення, збільшення кількості особин на одиницю об'єму. Зростання означає збільшення маси бактерій у результаті синтезу клітинного

Актиноміцети, їх морфологія
Актиноміцети (аей§ - промінь, туЬм - гриб) - променисті гриби, являють собою численну групу мікроорганізмів, включених до порядку АсйпотусеШез, Більшість актиноміцетів - вільнож

Ріккетсії, їх морфологія та біологічні властивості
Ріккетсії є поліморфними мікроорганізмами, живуть і розмножуються тільки в клітинах (цитоплазмі та ядрі) тканин тварин, людини і переносників. Коккоподібні форми мають вигляд дуже дрібних.

Морфологія та ультраструктура мікоплазм
Мікоплазми належать до класу Mollicutes, порядку Mycoplasmatales, сімейства сміття1аsmaсеае. Це дрібні бактерії розміром 100-150 нм, іноді 200-700 нм, які не утворюють суперечки, нерухомі, грамотрі.

Хламідії, морфологія та інші біологічні властивості
До роду Chlamydia, сімейства Chlamydiaceae, порядку Chlamydiales належать збудники трахоми, кон'юнктивітів (бленнореї з включеннями), пахвинного лімфогранулематозу (хвороба Нікола – Фавра), орн

Гриби, їх морфологія та біологічні властивості
Систематика та класифікація грибів. Гриби віднесені до рослинних гетеротрофних організмів-еукаріотів, позбавлених хлорофілу. Тип грибів (Fungi s. Mycetes) налічує понад 100 000 видів.

Дріжджоподібні гриби роду кандида
Збудники кандидозу. До них відносять дріжджоподібні гриби з роду Candida. Вони є одноклітинні організми(рис. 134), що розмножуються брунькуванням; конідій і аскоспор не утворюють, іст

Дійтероміцети
Дейтероміцети - недосконалі гриби (Fungi imperfecti), дуже велика група (25 000 видів) грибів, що мають багатоклітинний міцелій, але не мають ні сумчастого, ні базидіального спороношення, а

Взаємодія вірусу із клітиною
Репродукція вірусів Цикл репродукції вірусів складається з ряду послідовних подій: Специфічна адсорбція вірусу на поверхні клітини Проникнення всередину клітини

Культури клітин, їх види
Для культивування вірусів використовують культури клітин, курячі ембріони та лабораторних тварин. Найбільш широке застосування знайшли одношарові культури трипсинізованих клітин, а також перевиває

Мінливість мікроорганізмів
Дослідники, що стояли біля витоків бактеріології, зіткнулися з різноманітністю видів бактерій і можливістю метаморфоз, взаємоперетворень одних бактерій на інші створили вчення про плеоморфі

Мутації
Зміни послідовності азотистих основ у ДНК. Види: Випадання (делеція) або вставка (інсерція) однієї або кількох підстав зі зсувом рамки зчитування. Замі

Генетичні рекомбінації
Рекомбінації - Спадкова мінливість, обумовлена ​​обміном ділянками ДНК між мікроорганізмами, одна з яких є донором, а інший – реципієнтом. Види рекомбінацій: Трансформація, до

Поширення мікробів у природі
Об'єкт Характер забруднення Санітарно-показові бактерії Вода Фекаль

Нормальна мікрофлора тіла людини
Макроорганізм і середовище є єдиною екологічною системою, в якій важлива фізіологічна рольналежить мікроорганізмів. Макроорганізм та його мікрофлора (аутофлора) у нормальних умовах