Для понимания сложных процессов обмена веществ микроорганизмов необходимо рассмотреть химический состав микробной клетки и арсенал ферментов, которыми она располагает.
Химический состав микробных клеток.
Химический состав микробных клеток тот же, что и у высших растений. В них содержится 75-85 % воды и 15-25 % сухого вещества от общей массы клетки.
Вода является необходимой составной частью клетки - в ней происходят химические процессы, растворяются минеральные и расщепляются сложные органические вещества - белки, углеводы, жиры. Белки и нуклеиновые кислоты имеют наиболее важное значение при размножении и росте клеток. Углеводы в значительных количествах содержатся в клетках дрожжей и грибов. Это полисахариды - гликоген, декстрин, глюкоза. В клетках бактерий углеводов мало.
Жиры и жироподобные вещества (липиды) находятся главным образом в поверхностном слое цитоплазмы. На липиды приходится в среднем 3-7 % сухого вещества клетки (у туберкулезной палочки - 20-40, грибов Эндомицес - 50-60%).
Минеральные вещества содержатся в клетках микроорганизмов в небольших количествах (всего 3-10%), но роль их велика - они влияют на скорость и направление химических реакций. Наиболее важные из них - калий, магний, кальций, железо и др. Содержание в клетках белков, жиров, углеводов и минеральных веществ зависит от вида микроорганизма и условий его существования.
Ферменты микробной клетки.
Ферменты - это сложные органические вещества, катализирующие химические реакции. Клетки вырабатывают (продуцируют) их для осуществления физиологических процессов. В клетке может содержаться много ферментов (у гриба Аспергиллус, например, - около 50), благодаря чему одновременно могут происходить различные химические реакции. Наиболее распространенными ферментами, продуцируемыми микроорганизмами, являются карбогидразы и протеазы.
Карбогидразы - расщепляют крахмал, клетчатку и другие полисахариды при участии воды. Сюда относятся амилазы (расщепляют крахмал до простых углеводов), мальтаза (расщепляет углевод мальтозу), липаза (гидролизует жиры и масла с образованием жирных кислот). Эти ферменты содержит большинство микроорганизмов.
Протеазы катализируют расщепление белков и полипептидов. Эти ферменты продуцируются гнилостными бактериями, плесневыми грибами, актиномицетами.
Каждый фермент обладает специфичностью действия, т. е. может расщеплять лишь определенные соединения. Кроме того, для действия каждого фермента имеются свои кардинальные точки в отношении температуры, рН и других условий.
Метаболизм.
Каждая живая клетка нуждается в постоянном притоке энергии - эту энергию она получает в процессе обмена веществ. Обменом веществ (метаболизмом) называют совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке в процессе ее жизнедеятельности.
Метаболизм осуществляется в двух основных направлениях.
Одно из них - строительный обмен. Он необходим живой клетке для биосинтетической деятельности, т. е. для построения клетки, замены изношенных частей, роста и размножения. Необходимый строительный материал клетка получает в виде пищи, поступающей извне. Питательные вещества проникают в микробную клетку двумя путями. Первый - это осмос (диффузия) питательных веществ, из внешней среды, где концентрация их выше, чем в клетке. Движущей силой при этом является разность осмотических давлений между клеткой и внешней средой. Второй путь - это активный перенос питательных веществ в клетку с помощью особых ферментов. В обоих случаях питательные вещества проникают через клеточную мембрану в цитоплазму клетки. Процесс питания является важнейшей физиологической функцией микробной клетки. Сущность процесса питания состоит в том, что под действием ферментов клетки высокомолекулярные органические соединения расщепляются до низкомолекулярных: Сахаров, аминокислот, органических кислот, а из них синтезируются вещества самой клетки микроорганизма: цитоплазма, клеточная стенка, нуклеиновые кислоты и др.
Кроме питательных веществ для строительной биосинтетической деятельности клетка нуждается в энергии. Поэтому второй стороной обмена веществ микроорганизмов является энергетический обмен, т. е. обеспечение клетки энергией. Энергию микроорганизмы получают окислением органических веществ (углеводов, жиров и других энергетических материалов) в процессе дыхания - очень важной физиологической функции. У разных организмов процесс дыхания протекает по-разному в зависимости от их отношения к кислороду. Так, аэробы используют газообразный кислород и получают энергию путем окисления органических веществ (дыхания). Это возможно благодаря наличию в клетках аэробов определенных ферментов - цитохромов. У анаэробов эти ферменты отсутствуют и процесс получения энергии протекает без участия кислорода. По отношению к кислороду анаэробы делятся на три группы. Строгие анаэробы (например, маслянокислые бактерии) вообще не могут жить в присутствии кислорода. Они получают энергию сопряженным окислением - восстановлением субстрата (например, процессы брожения). Факультативные анаэробы (не строгие) в присутствии кислорода используют его для окислительных процессов (для дыхания), а в его отсутствие получают энергию без участия кислорода (дрожжи).
Окислительные процессы анаэробов заключаются в отнятии водорода от окисляемого соединения (дегидрирование). Водород присоединяется к другим веществам (акцепторам водорода). Такой процесс бескислородного дыхания называют брожением. Энергетическим материалом для брожения служат вещества с большим запасом энергии.
Таким образом, питательные вещества расходуются клеткой в двух направлениях: для синтеза веществ тела и для обеспечения организма энергией. Процессы питания и дыхания тесно связаны и осуществляются клеткой одновременно. Они обеспечивают все жизненные функции клетки. Образующиеся при этом продукты обмена выделяются из клетки во внешнюю среду. Обмен веществ показан на схеме 1 ниже.
Схема 1. Обмен веществ у микроорганизмов.
По типу питания микробы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы - микроорганизмы, которые синтезируют вещества своего тела из неорганических элементов. Пути для этого синтеза могут быть разными. Одни микроорганизмы, например пурпурные серобактерии, подобно зеленым растениям, используют фотосинтез, но роль хлорофилла выполняют у них другие вещества. Другие энергию для этих синтетических процессов получают в ходе окислительно-восстановительных реакций. При этом донорами электронов служат неорганические вещества, а источником углерода - углекислый газ.
Гетеротрофы - это микроорганизмы, которые нуждаются в готовых органических соединениях, используя в качестве источников углерода углеводы, спирты и органические кислоты, а источников азота - белки и продукты их распада. Подавляющее большинство бактерий, дрожжей и плесневых грибов является гетеротрофами.
Аннотация
Введение
1. Общие понятия об обмене веществ и энергии
2. Конструктивный метаболизм
3. Потребность прокариот в питательных веществах
3.1 Источники углерода
3.3 Потребности в источниках серы и фосфора
3.4 Необходимость ионов металлов
3.5 Потребность в факторах роста
4. Типы метаболизма микроорганизмов
5. Энергетический метаболизм фототрофов
6. Энергетический метаболизм хемотрофов, использующих процессы брожения
7. Энергетический метаболизм хемоорганотрофов, использующих процесс дыхания
8. Энергетический метаболизм хемолитоавтотрофов
Заключение
Данная курсовая работа содержит основные сведенья о конструктивном и энергетическом метаболизме бактерий. Работа выполнена на 37 листах. Содержит 5 рисунков и 1 таблицу.
Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождающихся постоянным ее обновлением, называется обменном веществ или метаболизмом.
Важнейшими свойствами живых организмов являются способность, к самовоспроизведению и теснейшая взаимосвязь их с окружающей средой. Любой организм может существовать только при условии постоянного притока питательных веществ из внешней среды и выделения в нее продуктов жизнедеятельности.
Питательные вещества, поглощаемые клеткой, в результате сложных биохимических реакций превращаются в специфические клеточные компоненты. Совокупность биохимических процессов поглощения, усвоения питательных веществ и создания за их счет структурных элементов клетки называется конструктивным обменом или анаболизмом. Конструктивные процессы идут с поглощением энергии. Энергию, необходимую для процессов биосинтеза других клеточных функций, таких, как движение, осморегуляция и т. д., клетка получает за счет потока окислительных реакций, совокупность которых представляет собой энергетический обмен, или катаболизм (рис. 1).
Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии.
Энергетический уровень химических связей неодинаков. Для одних он имеет величину порядка 8-10 кДж. Такие связи называют нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия - 25-40 кДж. Это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, включают атомы фосфора и серы, участвующие в образовании этих связей.
Важнейшую роль в жизнедеятельности клетки играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В состав ее молекулы входят аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты: (Приложения Рис 2)
АТФ занимает центральное место в энергетическом обмене клетки. Макроэргические связи в молекуле АТФ очень непрочны. Гидролиз этих связей приводит к освобождению значительного количества свободной энергии:
АТФ + Н20→АДФ + Н3Р04- 30,56 кДж
Гидролиз протекает с участием специфических ферментов, обеспечивая энергией биохимические процессы, идущие с поглощением энергии. В этом случае АТФ играет роль поставщика энергии. Имея малый размер, молекула АТФ и диффундирует в различные участки клетки. Запас АТФ в клетках непрерывно возобновляется за счет реакций присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):
АДФ + Н3Р04 → АТФ + Н20
Синтез АТФ, как и гидролиз, идет при участии ферментов но сопровождается поглощением энергии, способы получения которой у микроорганизмов хотя и разнообразны, но могут быть сведены к двум типам:
1) использование энергии света;
2) использование энергии химических реакций.
При этом тот и другой виды энергии трансформируются в энергию химических связей АТФ. Таким образом, АТФ выполняет в клетке роль трансформатора.
Анаболизм и катаболизм неразрывно связаны, составляя единое целое, поскольку продукты энергетического обмена (АТФ и некоторые низкомолекулярные соединения) непосредственно используются в конструктивном обмене клетки (рис. 6.1).
В клетках микроорганизмов соотношение между энергетическими и конструктивными процессами зависит от ряда конкретных условий, в частности от характера питательных веществ. Тем не менее по объему катаболические реакции обычно превосходят биосинтетические процессы. Взаимосвязь и сопряженность этих двух видов метаболизма проявляется прежде всего в том, что суммарный объем конструктивных процессов полностью зависит от количества доступной энергии, получаемой в ходе энергетического обмена.
Конструктивный метаболизм направлен на синтез четырех основных типов биополимеров: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов.
Ниже показана обобщенная условная схема биосинтеза сложных органических соединений, где выделены следующие основные этапы: образование из простейших неорганических веществ органических предшественников (I), из которых на следующем этапе синтезируются «строительные блоки» (II). В дальнейшем строительные блоки, связываясь друг с другом ковалентными связями, образуют биополимеры (III): Приложения (рис. № 3)
Представленная схема биосинтетических процессов не отражает всей сложности превращения низкомолекулярных предшественников в строительные блоки с большой молекулярной массой. На самом деле синтез протекает как серия последовательных реакций с образованием разнообразных промежуточных продуктов метаболизма. Кроме того, уровни развития биосинтетических способностей микроорганизмов очень различны. У одних микробов конструктивный метаболизм включает все показанные на схеме этапы, у других ограничен вторым и третьим или только третьим этапом. Именно поэтому микроорганизмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементный состав пищи одинаков для всех живых организмов и должен включать все компоненты, входящие в клеточное вещество: углерод, азот, водород, кислород и др.
В зависимости от используемых в конструктивном обмене источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы (от греч. «autos» - сам, «trophe» - пища) в качестве единственного источника углерода используют диоксид углерода и из этого простого неорганического соединения-предшественника синтезируют все необходимые биополимеры. Способность к биосинтезу у автотрофов самая высокая.
Гетеротрофы (от греч. «heteros» - другой) нуждаются в органических источниках углерода. Их пищевые потребности чрезвычайно разнообразны. Одни из них питаются продуктами жизнедеятельности других организмов или используют отмершие растительные и животные ткани. Такие микроорганизмы называются сапрофитами (от греч. «sapros» - гнилой и «phyton» - растение). Число органических соединений, используемых ими в качестве источников углерода, чрезвычайно велико - это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии.
Для синтеза клеточных белков микроорганизмам необходим азот. По отношению к источникам азотного питания среди микроорганизмов можно выделить автоаминотрофов и гетероаминотрофов. Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие формы органического (мочевина) и из этих соединений строить разнообразные белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в аммонийную форму. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу. Гетероаминотрофы нуждаются в органических формах азота - белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие создают необходимые белковые соединения из одной - двух аминокислот путем их преобразования.
Многие гетеротрофные по отношению к углероду микроорганизмы являются автоаминотрофами. К ним относятся я бактерии, участвующие в очистке сточных вод.
Потребность в кислороде и водороде для конструктивного обмена микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и органических питательных веществ. Источниками зольных элементов (P, S, K, Mg, Fe) служат соответствующие минеральные соли. Потребность в этих элементах невелика, но присутствие в среде обязательно. Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы – Zn, Co, Cu, Ni и др. Часть их входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей.
Способы получения пищи, т. е. способы питания микроорганизмов, отличаются большим разнообразием. Различают три основных способа питания: голофитное, сапрозойное, голозойное.
Голофитное питание (от греч. «голо» - целиком, «фит» - растение) совершается по типу фотосинтеза растений. Такое питание присуще только автотрофам. Среди микроорганизмов этот способ свойствен водорослям, окрашенным формам жгутиковых и некоторым бактериям.
Микробиология: конспект лекций Ткаченко Ксения Викторовна
3. Метаболизм бактериальной клетки
Особенности метаболизма у бактерий:
1) многообразие используемых субстратов;
2) интенсивность процессов метаболизма;
4) преобладание процессов распада над процессами синтеза;
5) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.
В процессе метаболизма выделяют два вида обмена:
1) пластический (конструктивный):
а) анаболизм (с затратами энергии);
б) катаболизм (с выделением энергии);
2) энергетический обмен (протекает в дыхательных мезосомах):
а) дыхание;
б) брожение.
В зависимости от акцептора протонов и электронов среди бактерий различают аэробы, факультативные анаэробы и облигатные анаэробы. Для аэробов акцептором является кислород. Факультативные анаэробы в кислородных условиях используют процесс дыхания, в бескислородных – брожение. Для облигатных анаэробов характерно только брожение, в кислородных условиях наступает гибель микроорганизма из-за образования перекисей, идет отравление клетки.
В микробной клетке ферменты являются биологическими катализаторами. По строению выделяют:
1) простые ферменты (белки);
2) сложные; состоят из белковой (активного центра) и небелковой частей; необходимы для активизации ферментов.
Различают также:
1) конституитивные ферменты (синтезируются постоянно независимо от наличия субстрата);
2) индуцибельные ферменты (синтезируются только в присутствии субстрата).
Набор ферментов в клетке строго индивидуален для вида. Способность микроорганизма утилизировать субстраты за счет своего набора ферментов определяет его биохимические свойства.
По месту действия выделяют:
1) экзоферменты (действуют вне клетки; принимают участие в процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных бактерий);
2) эндоферменты (действуют в самой клетке, обеспечивают синтез и распад различных веществ).
В зависимости от катализируемых химических реакций все ферменты делят на шесть классов:
1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции между двумя субстратами);
2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос химических групп);
3) гидролазы (осуществляют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей);
4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям, а также осуществляют обратные реакции);
5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации, обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров);
6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле АТФ).
Из книги Микробиология: конспект лекций автора Ткаченко Ксения Викторовна1. Особенности строения бактериальной клетки. Основные органеллы и их функции Отличия бактерий от других клеток1. Бактерии относятся к прокариотам, т. е. не имеют обособленного ядра.2. В клеточной стенке бактерий содержится особый пептидогликан – муреин.3. В
Из книги Краткая история биологии [От алхимии до генетики] автора Азимов АйзекГлава 12 Метаболизм ХимиотерапияБорьба с бактериальными заболеваниями во многом проще, чем с вирусными. Как уже было показано, бактерии проще размножаются в культуре. Бактерии более уязвимы. Живя вне клетки, они производят ущерб организму, отнимая у него питание либо
Из книги Тесты по биологии. 6 класс автора Бенуж ЕленаКЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ КЛЕТКИ 1. Выберите один наиболее правильный ответ.Клетка – это:A. Мельчайшая частица всего живогоБ. Мельчайшая частица живого растенияB. Часть растенияГ. Искусственно созданная единица для
Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович Из книги Бегство от одиночества автора Панов Евгений НиколаевичКлетки-коллективисты и клетки-одиночки В основе тесной кооперации клеток, входящих в состав многоклеточного организма, лежат по меньшей мере две важнейшие причины. Во-первых, каждая отдельно взятая клетка, будучи сама по себе на редкость умелым и исполнительным
Из книги Путешествие в страну микробов автора Бетина ВладимирАнатомия бактериальной клетки В предыдущей главе мы познакомились с тремя главнейшими типами бактериальных клеток. Одни из них имеют форму шариков, другие - палочек или цилиндриков, а третьи представляют подобие спирали.Какова же внешняя и внутренняя структура
Из книги Распространненость жизни и уникальность разума? автора Мосевицкий Марк Исаакович5.3.1 Концепция формирования митохондрий и хлоропластов путем симбиоза бактериальной клетки и раннего эукариота Около 2 млрд лет тому назад на Земле создалась критическая для дальнейшего развития жизни ситуация. Фотосинтезирующие бактерии, размножившись, стали
Из книги Размножение организмов автора Петросова Рената Арменаковна3. Деление клетки Способность к делению - это важнейшее свойство клетки. В результате деления из одной клетки возникают две новые. Одно из основных свойств жизни - самовоспроизведение - проявляется уже на клеточном уровне. Наиболее распространенным способом деления
Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир ВалерьяновичГлава 8. Введение в метаболизм Обмен веществ или метаболизм – это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. Процесс метаболизма, сопровождающийся образованием более простых
Из книги автораМетаболизм фруктозы Значительное количество фруктозы, образующее при расщеплении сахарозы, прежде чем поступить в систему воротной вены, превращается в глюкозу уже в клетках кишечника. Другая часть фруктозы всасывается с помощью белка-переносчика, т.е. путем
Из книги автораМетаболизм галактозы Галактоза образуется в кишечнике в результате гидролиза лактозы.Нарушение метаболизма галактозы проявляется при наследственном заболевании – галактоземии. Оно является следствием врожденного дефекта фермента
Из книги автораМетаболизм лактозы Лактоза, дисахарид содержится только в молоке и состоит из галактозы и глюкозы. Лактоза синтезируется только секреторными клетками желез млекопитающих в период лактации. Она присутствует в молоке в количестве от 2 % до 6 % в зависимости от вида
Из книги автораГлава 22. Метаболизм холестерола. Биохимия атеросклероза Холестерол – стероид, характерный только для животных организмов. Основное место его образования в организме человека – печень, где синтезируется 50% холестерола, в тонком кишечнике его образуется 15–20%, остальное
Из книги автораГлава 25. Метаболизм отдельных аминокислот Метаболизм метионина Метионин – незаменимая аминокислота. Метильная группа метионина – мобильный одноуглеродный фрагмент, используемый для синтеза ряда соединений. Перенос метильной группы метионина на соответствующий
Из книги автораМетаболизм метионина Метионин – незаменимая аминокислота. Метильная группа метионина – мобильный одноуглеродный фрагмент, используемый для синтеза ряда соединений. Перенос метильной группы метионина на соответствующий акцептор называют трансметилированием,
Из книги автораМетаболизм фенилаланина и тирозина Фенилаланин – незаменимая аминокислота, так как в клетках животных не синтезируется ее бензольное кольцо. Метаболизм метионина осуществляется по 2-м путям: включается в белки или превращается в тирозин под действием специфической
Энергетический метаболизм микроорганизмов
2. Конструктивный метаболизм
Конструктивный метаболизм направлен на синтез четырех основных типов биополимеров: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов.
Ниже показана обобщенная условная схема биосинтеза сложных органических соединений, где выделены следующие основные этапы: образование из простейших неорганических веществ органических предшественников (I), из которых на следующем этапе синтезируются «строительные блоки» (II). В дальнейшем строительные блоки, связываясь друг с другом ковалентными связями, образуют биополимеры (III): Приложения (рис. № 3)
Представленная схема биосинтетических процессов не отражает всей сложности превращения низкомолекулярных предшественников в строительные блоки с большой молекулярной массой. На самом деле синтез протекает как серия последовательных реакций с образованием разнообразных промежуточных продуктов метаболизма. Кроме того, уровни развития биосинтетических способностей микроорганизмов очень различны. У одних микробов конструктивный метаболизм включает все показанные на схеме этапы, у других ограничен вторым и третьим или только третьим этапом. Именно поэтому микроорганизмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементный состав пищи одинаков для всех живых организмов и должен включать все компоненты, входящие в клеточное вещество: углерод, азот, водород, кислород и др.
В зависимости от используемых в конструктивном обмене источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы (от греч. «autos» -- сам, «trophe» -- пища) в качестве единственного источника углерода используют диоксид углерода и из этого простого неорганического соединения-предшественника синтезируют все необходимые биополимеры. Способность к биосинтезу у автотрофов самая высокая.
Гетеротрофы (от греч. «heteros» -- другой) нуждаются в органических источниках углерода. Их пищевые потребности чрезвычайно разнообразны. Одни из них питаются продуктами жизнедеятельности других организмов или используют отмершие растительные и животные ткани. Такие микроорганизмы называются сапрофитами (от греч. «sapros» -- гнилой и «phyton» -- растение). Число органических соединений, используемых ими в качестве источников углерода, чрезвычайно велико -- это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии.
Для синтеза клеточных белков микроорганизмам необходим азот. По отношению к источникам азотного питания среди микроорганизмов можно выделить автоаминотрофов и гетероаминотрофов. Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие формы органического (мочевина) и из этих соединений строить разнообразные белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в аммонийную форму. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу. Гетероаминотрофы нуждаются в органических формах азота - белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие создают необходимые белковые соединения из одной - двух аминокислот путем их преобразования.
Многие гетеротрофные по отношению к углероду микроорганизмы являются автоаминотрофами. К ним относятся я бактерии, участвующие в очистке сточных вод.
Потребность в кислороде и водороде для конструктивного обмена микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и органических питательных веществ. Источниками зольных элементов (P, S, K, Mg, Fe) служат соответствующие минеральные соли. Потребность в этих элементах невелика, но присутствие в среде обязательно. Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы - Zn, Co, Cu, Ni и др. Часть их входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей.
Способы получения пищи, т. е. способы питания микроорганизмов, отличаются большим разнообразием. Различают три основных способа питания: голофитное, сапрозойное, голозойное.
Голофитное питание (от греч. «голо» - целиком, «фит» - растение) совершается по типу фотосинтеза растений. Такое питание присуще только автотрофам. Среди микроорганизмов этот способ свойствен водорослям, окрашенным формам жгутиковых и некоторым бактериям.
Гетеротрофные микроорганизмы питаются либо твердыми пищевыми частицами, либо поглощают растворенные органические вещества.
Голозойное питания предопределяет развитие у микроорганизмов специальных органоидов для переваривания пищи, а у некоторых - и для ее захвата. Например, неокрашенные жгутиковые и ресничные инфузории имеют ротовое отверстие, к которому пища подгоняется соответственно жгутиками или ресничками. Наиболее высокоорганизованные инфузории образуют околоротовыми ресничками ток воды в виде воронки, направленной узким концом в рот. Пищевые частицы осаждаются на дне воронки и заглатываются инфузорией. Такие инфузории называют седиментаторами. Амебы питаются путем фагоцитоза.
Микроорганизмы с голозойным способом питания для конструктивного метаболизма используют главным образом цитоплазму других организмов - бактерий, водорослей и т. д. и имеют специальные органоиды для пищеварения. Пищеварительный процесс у простейших осуществляется в пищеварительных вакуолях.
Переваривание заключается в гидролитическом расщеплении сложных органических веществ до более простых соединений. При этом углеводы гидролизуются до простых сахаров, белки - до аминокислот, а при гидролизе липидов образуются глицерин и высшие жирные кислоты. Продукты пищеварения всасываются в цитоплазму и подвергаются дальнейшему преобразованию.
Бактерии, микроскопические грибы, дрожжи не имеют специальных органоидов для захвата пищи, и она поступает в клетку через всю поверхность. Такой способ питания называется сапрозойным.
Чтобы проникнуть в клетку, питательные вещества должны находится в растворенном состоянии и иметь соответствующий размер молекул. Для многих высокомолекулярных соединений цитоплазматическая мембрана непроницаема, а некоторые из них не могут проникнуть даже через клеточную оболочку. Однако это не означает, что высокомолекулярные соединения не используются микроорганизмами как питательные вещества. Микроорганизмы синтезируют внеклеточные пищеварительные ферменты, гидролизующие сложные соединения. Таким образом, процесс пищеварения, протекающий у простейших в вакуолях, у бактерий осуществляется вне клетки (Приложения рис. 4).
Размер молекул - не единственный фактор, обусловливающий проникновение питательных веществ в клетку.
Цитоплазматическая мембрана способна пропускать одни соединения и задерживать другие.
Известно несколько механизмов переноса веществ через мембрану клетки: простая диффузия, облегченная диффузия и Активный перенос (Приложения рис. 5).
Простая диффузия - это проникновение молекул вещества в клетку без помощи каких-либо переносчиков.
В насыщении клетки питательными веществами простая диффузия большого значения не имеет. Однако именно таким путем в клетку поступают молекулы воды. Немаловажную роль в этом процессе играет осмос - диффузия молекул растворителя через полупроницаемую перепонку в направлении более концентрированного раствора.
Роль полупроницаемой перепонки в клетке выполняет цитоплазматическая мембрана. В клеточном соке растворено огромное количество молекул разнообразных веществ, поэтому клетки микроорганизмов обладают довольно высоким осмотическим давлением. Величина его у многих микробов достигает 0,5--0,8 МПа. В окружающей среде осмотическое давление обычно ниже. Это вызывает приток воды внутрь клетки и создает в ней определенное напряжение называемое тургором.
При облегченной диффузии растворенные вещества поступают в клетку с участием специальных ферментов-переносчиков, носящих название пермеаз. Они как бы захватывают молекулы растворенных веществ и переносят их к внутренней поверхности мембраны.
Простая и облегченная диффузия представляет собой варианты пассивного транспорта веществ. Движущей силой переноса веществ в клетку в этом случае служит градиент концентраций по обе стороны мембраны. Однако большинство веществ поступает в клетку против градиента концентрации. В этом случае на такой перенос затрачивается энергия и перенос называется активным. Активный перенос протекает с участием специфических белков, сопряжен с энергетическим обменом клетки и позволяет накапливать в клетке пительные вещества в концентрации во много раз больше, чем концентрация их во внешней среде. Активный перенос - основной механизм поступления питательных веществ в клетки с сапрозойным питанием.
Рассмотрим первую группу генов. Этанол окисляется в два этапа, и на этих двух этапах работают два ключевых фермента. Сначала под действием фермента алкогольдегидрогеназы этанол превращается в ацетальдегид...
Генетика и биохимия алкоголизма
Катаболизм этилового спирта осуществляется главным образом в печени. Здесь окисляется от 75% до 98% введённого в организм этанола. Окисление алкоголя - сложный биохимический процесс...
Гидрофильные гормоны, их строение и биологические функции
Биосинтез. В отличие от стероидов пептидные и белковые гормоны являются первичными продуктами биосинтеза. Соответствующая информация считывается с ДНК (DNA) на стадии транскрипции...
Изучение сезонного биоритма бациллярно-кокковой трансформации бактерии Helicobacter pylori
Бактерия Helicobacter pylori весьма успешно приспособилась к жизни в экстремальных условиях человеческого желудка. Она грамотрицательная, что уже подразумевает мощную непроницаемую клеточную стенку. Она способна жить в микроаэрофильных условиях...
Морфология и метаболизм дрожжей
Регуляция первичных метаболических процессов
Живая клетка - это высокоорганизованная система. В ней имеются различные структуры, а также ферменты, способные их разрушить. Содержатся в ней и крупные макромолекулы...
Роль пептидов в функционировании нервной системы
Как было отмечено выше, известны три белковые молекулы, включающие в свою структуру последовательности энкефалинов: проопиомеланокортин, препроэнкефалин А (проэнкефалин), препроэнкефалин В (продинорфин). Последовательности...
Более 2/3 аминоазота аминокислот приходится на долю глутамата и его производных; эти аминокислоты доминируют в количественном отношении в мозге всех изученных видов животных. В спинном мозге наблюдается аналогичная картина...
Свободные аминокислоты нервной системы
Ароматические аминокислоты - триптофан, фенилаланин и тирозин - важны как предшественники 5-гидрокситрилтамина и катехоламинов, играющих чрезвычайно важную роль в нейрональных процессах...
Структура и транспорт андрогенов
В органах-мишенях существуют отдельные, специфические циторецепторы половых гормонов. Эти рецепторы гормонов и являются, очевидно, тканевым компонентом каждой эндокринной функции - в том числе и гонадальной...
Физиология и биохимия компонентов растений
Цикл Хетча и Слэка обнаружен также у растений-суккулентов. Но если у С4-растений кооперация достигнута за счет пространственного разделения двух циклов (включение СО2 в органические кислоты в мезофилле, восстановление в обкладке)...
Все указанные в табл. 1 фотосинтезирующие микроорганизмы приспособлены к использованию света видимого (длинна волны 400--700 нм) и ближней инфракрасной части спектра (700--1100 нм)...
Энергетический метаболизм микроорганизмов
Из трех путей образования АТФ субстратное фосфорилиронание наиболее простой. Такой тип энергетического метаболизма характерен для многих бактерий и дрожжей, осуществляющих различные виды брожения...
Энергетический метаболизм микроорганизмов
Большинство гетеротрофных организмов получают энергию в процессе дыхания - биологического окисления сложных органических субстратов, являющихся донорами водорода. Водород от окисляемого вещества поступает в дыхательную цепь ферментов...
Энергетический метаболизм микроорганизмов
Окисление восстановленных минеральных соединений азота, серы, железа служит источником энергии для хемолитотрофных микроорганизмов...
Под метаболизмом (от греч. metabole - изменение, превращение) понимают совокупность биохимических реакций и превращений веществ, происходящих в микробной клетке, направленных на получение энергии и дальнейшее использование ее для синтеза органических веществ.
Термин «метаболизм» объединяет два взаимосвязанных, но противоположных процесса - анаболизм и катаболизм. Они присущи всем живым существам и являются основными признаками живого.
Анаболизм (питание; ассимиляция; конструктивный, или строительный, обмен; обмен веществ) сводится к усвоению, т. е. к использованию микроорганизмами питательных веществ, поступивших из внешней среды, для биосинтеза компонентов (веществ) собственного тела. Это достигается чаще восстановительными эндотермическими реакциями, для течения которых требуется энергия.
Катаболизм (дыхание, диссимиляция, биологическое окисление) характеризуется расщеплением (окислением) сложных органических веществ до более простых продуктов с освобождением заключенной в них энергии, которая используется микроорганизмами для синтеза веществ данной клетки. Этот обмен называется также энергетическим.
В большинстве случаев одно и то же вещество используется как в ассимиляции, так и в диссимиляции. Исключением являются углеводы, которые подвергаются расщеплению и не принимают участия в конструктивном обмене.
Метаболизм у микроорганизмов характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ. Так, при благоприятных условиях в течение суток одна клетка бактерий усваивает веществ в 30-40 раз больше величины своей массы.
В обмене веществ принимают участие различные химические вещества. В зависимости от этого различают белковый, углеводный, липидный и водносолевой обмен.
Белковый обмен. Распад белка вначале происходит до пептоноз под действием ферментов экзопротеаз. В дальнейшем пептоны под влиянием эндопротеаз расщепляются до аминокислот, которые поступают в клетку. Здесь аминокислоты могут подвергаться дезаминированию и декарбоксилированию.
В результате дезаминирования образуются аммиак, кетокислоты или оксикислоты, спирт и другие вещества.
Декарбоксилирование аминокислот происходит при развитии гнилостных бактерий с образованием токсичных продуктов «трупных ядов». При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин, орнитина - путресцин, лизина - кадаверин, тирозина - тирамин. Некоторые микробы вырабатывают фермент триптофаназу, под влиянием которой аминокислота триптофан распадается с образованием индола. Наличие индолообразования используют при идентификации микроорганизмов.
Наряду с реакциями расщепления белков происходят и процессы их синтеза. Для построения белков бактерии используют аминокислоты. Бактериальные клетки удовлетворяют свои потребности в аминокислотах двумя путями: одни микроорганизмы получают аминокислоты при расщеплении белка, другие синтезируют их из простых соединений азота. Важным свойством микробов является способность синтезировать незаменимые аминокислоты (метионин, триптофан, лизин). Синтез белка совершается в рибосомах клетки.
Белковый обмен находится в тесной связи с углеводным обменом. Для построения белковых соединений используется пировиноградная кислота, а дикарбоновые кислоты являются активными посредниками в биосинтезе аминокислот.
Углеводный обмен. Углеводы расщепляются под действием ферментов с образованием глюкозы и мальтозы. Под влиянием ферментов мальтазы, сахаразы, лактазы дисахариды, поступившие внутрь клетки бактерии, подвергаются гидролизу и распаду на моносахариды, которые затем ферментируются с разрывом цепи молекул углевода и освобождением значительного количества энергии.
Расщепление микробами углеводов сопровождается образованием органических кислот, которые могут распадаться до конечных продуктов - ССЬ и Н2О.
Синтез углеводов у микроорганизмов происходит фото- и хе-мосинтетически. При фотосинтезе зеленые и пурпурные бактерии, содержащие пигменты типа хлорофилла, синтезируют глюкозу из диоксида углерода, содержащегося в воздухе. При этом для течения ндотермических реакций синтеза необходима энергия света.
Процесс фотосинтеза у бактерий (прокариот) отличается от фотосинтеза у зеленых растений (эукариоты). У растений при фотолизе донором водорода служит вода, в результате чего выделяется молекулярный кислород.
У прокариот, за исключением синезеленых водорослей, донорами водорода являются H2S, Н2, другие минеральные и органические соединения, поэтому в результате реакции фотосинтеза кислород не образуется. Главным пигментом фотосинтеза у бактерий является бактериохлорофилл, у зеленых растений - хлорофилл, находящийся в хлоропластах, каждый из которых эквивалентен прокариотической клетке. У бактерий хлоропласта отсутствуют.
Хемосинтез осуществляют микроорганизмы, синтезирующие углеводы из глюкозы, которая предварительно образуется в результате сахаролитических реакций, т. е. расщепления сложных Сахаров. Для хемосинтеза используется химическая энергия, освобождаемая при распаде аденозин трифосфорной кислоты (АТФ), т. е. энергия химических реакций.
Липидный обмен включает процессы гидролиза липидов, всасывания жирных кислот и моноглицеридов, биосинтеза специфических липидов, их расщепления и выделения конечных продуктов распада.
Большинство видов бактерий усваивают липиды в виде глицерина, который служит источником энергии. Микроорганизмы используют его также для синтеза липидов, которые в виде включений являются резервными питательными веществами (питательным материалом).
Основные процессы липидного обмена осуществляются при помощи липазы и других липолитических ферментов, прочно связанных с клеточной цитоплазмой.
Водно-солевой обмен включает поступление и выделение воды и минеральных солей, а также превращения, происходящие с ними.
Только небольшое число элементов Периодической системы Д.И. Менделеева требуется микроорганизмам в относительно высоких концентрациях - это десять главных биологических элементов (макроэлементы): С, О, Н, N, S, Р, К, Mg, Са, Fe. Основными компонентами органических соединений являются первые четыре элемента - органогены.
Сера требуется для синтеза аминокислот цистеина и метионина и некоторых ферментов. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, тейхоевых кислот, многих нуклеотидов. Остальные четыре элемента - это ионы металлов, используемые в качестве кофакторов ферментов, а также компонентов металлокомплексов.
Кроме перечисленных главных элементов микроорганизмам требуются еще десять микроэлементов: Zn, Mn, Na, CI, Mo, Se, Со, Си, W, Ni, которые участвуют в синтезе ферментов, активизируют их.
Из различных элементов и их соединений микроорганизмы синтезируют белки, нуклеопротеиды, глюцидолипиднопротеидные комплексы, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.