Физиология микроорганизмов

Физиология микроорганизмов изучает особенности развития, питания, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности микробов в различных условиях среды.

Питание микроорганизмов

Питание микробов осуществляется путем диффузии через оболочку и мембрану растворенных в воде питательных веществ. Нерастворимые сложные органические соединения предварительно расщепляются вне клетки с помощью ферментов, выделяемых микробами в субстрат.

По способу питания микроорганизмы разделяют на аутотрофные и гетеротрофные.

Аутотрофы способны синтезировать из неорганических веществ (в основном углекислого газа, неорганического азота и воды) органические соединения. В качестве источника энергии для синтеза эти микробы используют световую энергию (фотосинтез) или энергию окислительных реакций (хемосинтез).

Гетеротрофы используют для питания в основном готовые органические соединения. Микробы, питающиеся органическими веществами отмерших животных или растительных организмов, называют сапрофитами. К ним относятся бактерии гниения, грибы и дрожжи. Паратрофные микроорганизмы, или паразиты, живут за счет питательных веществ живых клеток организма хозяина. К паратрофам относится большинство болезнетворных микробов.

Обмен веществ и состав микроорганизмов

Все реакции обмена веществ в микробной клетке происходят при помощи биологических катализаторов — ферментов. Большинство ферментов состоят из белковой части и простетической небелковой группы. В простетическую группу могут входить такие металлы, как железо, медь, кобальт, цинк, а также витамины или их производные. Некоторые ферменты состоят только из простых белков. Ферменты специфичны и действуют только на одно определенное вещество. Поэтому в каждом микроорганизме находится целый комплекс ферментов, причем некоторые ферменты способны выделяться наружу, где участвуют в подготовке к усвоению сложных органических соединений. Ферменты микроорганизмов используются в пищевой и других видах промышленности.

Вода. Микробная клетка на 75-85 % состоит из воды. Большая часть воды находится в цитоплазме клетки в свободном состоянии. В воде протекают все биохимические процессы обмена веществ, вода является также растворителем этих веществ, так как питательные вещества поступают в клетку только в виде раствора, а продукты обмена удаляются из клетки тоже с водой. Часть воды в клетке находится в связанном состоянии и входит в состав некоторых клеточных структур. В спорах бактерий и грибов количество свободной воды снижено до 50 % и менее. При значительной потере связанной воды микробная клетка погибает.

Органические вещества микробной клетки представлены белками (6-14 %), жирами (1-4%), углеводами, нуклеиновыми кислотами.

Белки — основной пластический материал любой живой клетки, и микробной в том числе. Белки составляют основу цитоплазмы, входят в состав оболочки клетки и некоторые клеточные структуры. Они выполняют очень важную каталитическую функцию, так как входят в состав ферментов, катализирующих реакции обмена в микробной клетке.

В клетке микробов содержатся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК находится в основном в ядре клетки или нуклеотидах, РНК — в цитоплазме и рибосомах, где участвует в синтезе белка.

Содержание жиров у различных микроорганизмов различно, у некоторых дрожжей и плесеней оно выше в 6-10 раз, чем у бактерий. Жиры (липиды) являются энергетическим материалом клетки. Жиры в виде липопротеидов входят в состав цитоплазматической мембраны, которая выполняет важную функцию в обмене клетки с окружающей средой. Жиры могут находиться в цитоплазме в виде гранул или капелек.

Углеводы входят в состав оболочек, капсул и цитоплазмы. Они представлены в основном сложными углеводами — полисахаридами (крахмал, декстрин, гликоген, клетчатка), могут быть в соединении с белками или липидами. Углеводы могут откладываться в цитоплазме в виде зерен гликогена, как запасного энергетического материала.

Минеральные вещества (фосфор, натрий, магний, хлор, сера и др.) входят в состав белков и ферментов микробной клетки, они необходимы для обмена веществ и поддержания нормального внутриклеточного осмотического давления.

Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Они участвуют в процессах обмена веществ, так как входят в состав многих ферментов. Витамины, как правило, должны поступать с пищей, однако некоторые микробы обладают способностью синтезировать витамины, например В₂ или В₁₂.

Дыхание микроорганизмов

Процессы биосинтеза веществ микробной клетки протекают с затратой энергии. Большинство микробов используют энергию химических реакций с участием кислорода воздуха. Этот процесс окисления питательных веществ с выделением энергии называется дыханием. Энергия высвобождается при окислении неорганических (аутотрофы) или органических (гетеротрофы) веществ.

Аэробные микроорганизмы (аэробы) используют энергию, выделяемую при окислении органических веществ кислородом воздуха с образованием неорганических веществ, углекислого газа и воды. К аэробам относятся многие бактерии, грибы и некоторые дрожжи. В качестве источника энергии они чаше всего используют углеводы.

Анаэробные микроорганизмы (анаэробы) не используют для дыхания кислород, они живут и размножаются при отсутствии кислорода, получая энергию в результате процессов брожения. Анаэробами являются бактерии из рода клостридий (ботулиновая палочка и палочка перфрингенс), маслянокислые бактерии и др.

В анаэробных условиях проходят спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение, при этом процесс превращения глюкозы в спирт, молочную или масляную кислоту происходят с выделением энергии. Около 50 % выделенной энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть аккумулируется в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).

Некоторые микроорганизмы способны жить как в присутствии кислорода, гак и без него. В зависимости от условий среды они могут переходить с анаэробных процессов получения энергии на аэробные, и наоборот. Такие микроорганизмы называются факультативными анаэробами.

Обмен веществ у микробной клетки складывается из поступления питательных веществ, воды в клетку, выделение продуктов жизнедеятельности в окружающую среду через всю поверхность клетки.

Питательные вещества удовлетворяют потребности микроорганизмов в химических элементах, необходимых для синтеза веществ и клеточных структур, и энергии для процессов обмена веществ, роста, размножения, перемещения.

Питательные среды, из которых поступают химические элементы, называют источниками этих элементов: источник углерода, источник азота, источник кислорода.

Т.к. на долю органогенных элементов в клетке приходится до 90% СВ, то в питательной среде основная масса веществ должна приходиться на источники этих элементов.

Источником «О» являются органические вещества, вода, и молекулярный кислород воздуха. Источником «Н» также выступают вода, орг. вещества.

Потребности микроорганизмов в отношении источников углерода и азота отличаются разнообразием.

В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода и соответственно типа питания микроорганизмы делятся на две группы: гетеротрофы и автотрофы.

Автотрофы используют в качестве единственного или главного источника углерода для синтеза органических веществ – двуокись углерода (CO₂). Гетеротрофы в качестве источника углерода используют в основном органические вещества.

Биосинтез органических веществ из CO₂ протекает с потреблением световой энергии (восстановительный процесс) и называется фотосинтезом.

Лучистая Энергия хим.

Микроорганизмы-автотрофы, реализующие фотосинтез, называют по источнику энергии фототрофами. Микроорганизмы-автотрофы, использующие для биосинтеза органических веществ энергию химических реакций окисления неорганических соединений, называют хемотрофами, а процесс – хемосинтеза.

Гетеротрофы являются хемотрофами, необходимую энергию они получают путём окисления органических веществ.

Помимо источника «С» и энергии при характеристике типа питания микроорганизмов учитывается и природа окисляемого субстрата – донора водорода (электронов). Биологическое окисление органических веществ (в клетках) происходит чаще путём дегидрогенирования – отнятие атомов водорода. Т.к. атом водорода состоит из протона (H + ) и электрона (e — ), перенос водорода включает и перенос электрона. Вещество, теряющее водород окисляется, а вещество, принимающее водород – восстанавливается.

Микроорганизмы, использующие в качестве донора водорода органические соединения, называются органотрофные, использующие неорганические соединения как доноры водорода (H₂, H₂S, S, NH₃ и др.) – литотрофные.

С учетом вышесказанного, выделяются группы микроорганизмов по типу питания с учётом природы основного: 1) источника «С», 2) энергии, 3) донора «Н»:

Фотолитоавтотрофы (углерод из CO₂, световая энергия, неорганический донор водорода) – цианобактерии, пурпурные, зелёные серные бактерии. Преимущественно водные бактерии, содержат различные пигменты, которые поглощают свет. Донор водорода у цианобактерий – вода, у серобактерий – H₂S.

Фотоорганотрофы (CO₂, световая энергия, простые органические вещества), живущие в водоёмах пурпурные несерные бактерии.

Хемолитоавтотрофы (CO₂, окисление неорганических веществ) – играют важную роль в круговороте веществ в природе. К этой группе относятся бактории водоёмов, почв, которые отличаются специфичностью по отношению к окисляемым веществам. Водородные бактерии окисляют водород с образованием воды: 2H₂+O₂→2H₂O;

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитратов NH₃→HNO₃.

Бесцветные серобактерии – сероводород окисляют до серной кислоты, железобактерии окисляют закисное железо в окисное.

Хемоорганогетеротрофы (хемогетеротрофы) (всегда органические соединения) – такой тип питания характерен для большинства бактерий, дрожжей, грибов. Среди этой группы различают паратрофы и сапрофиты.

Паратрофы (микробы-паразиты) живут и питаются веществами тела хозяина. Это возбудители заболеваний человека, животных, растений.

Сапрофиты (метатрофы) используют органические вещества субстратов животного и растительного происхождения. Они разлагают органические вещества почвы, воды, вызывают порчу пищевых продуктов. Используются в процессах переработки животного и растительного сырья. Сапрофиты наряду с органическими соединениями вовлекают в обмен веществ небольшие количества CO₂ как дополнительный источник углерода.

Источники азота

Для автотрофных м/о источником азота являются неорганические азотсодержащие вещества.

Хемогетеротрофы по отношению к источнику азота проявляют избирательность:

1. Одни способны расти на субстратах, содержащих сложные органические азотсодержащие вещества – азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот, т.к. неспособны синтезировать их самостоятельно из более простых соединений.

2. Некоторые м/о для синтеза белков достаточно наличия нескольких аминокислот. Они дезаминируют аминокислоту и образующийся NH₃ используют в реакциях восстановительного аминирования оксикислот, кетокислот

COOH O COOH NH₂

Щавелево-уксусная аспарагиновая кислота

Или аминокислота субстрата при участии фермента аминотрансферазы м/о путём переаминирования перестраивается

3. Многие сапрофиты используют неорганические азотсодержащие соединения, особенно хорошо усваиваются соли аммония. Из них м/о получают аминогруппу для прямого аминирования оксикетокислот – скелета новой аминокислоты.

4. Нитриты и нитраты м/о восстанавливают с образованием NH₃, который участвует в биосинтетических процессах. Это обусловлено тем, что азот входит в компоненты клетки в основном в восстановленной форме.

Существуют сапрофиты, способные молекулярный азот восстанавливать в аммиак. Их называют азотфиксаторами (Azotbacter, Rhizobium), почвенные м/о.

Источниками зольных элементов для синтеза клеточных веществ для большинства м/о являются минеральные соли. Потребность в них невелика, при недостатке в питательной среде даже одного, служит причиной прекращения роста. Больше всего требуется фосфора, т.к. он входит в состав НК, АТФ, АДФ, принимает участие в биохимических превращениях. P и S некоторые м/о усваивают из органических веществ.

Потребность м/о в витаминах для нормальной жизнедеятельности обусловлена их присутствием в составе коферментов.

Одни м/о должны получать их в готовом виде из питательной среды, поэтому их называют «ростовыми веществами» (недостаток витаминов задерживает рост).

Некоторые м/о сами способны синтезировать витамины из веществ питательной среды и даже в количествах, превышающих собственные потребности.

В промышленных условиях получают эргостерин (провитамин D), используя дрожжи S. cerevisiae и S. carlsbergensis.

Кристаллический витамин D₂ получают, используя грибы родов Aspergillus, Pennicillium.

Рибофлавин (B₂) – гриб Eremothecium aschbyii;

Цианкобаламин (B₁₂) – Pseudonomas dentrificans, Nocardia rugoso.

Бета-каротин — дрожжи Rhodotoula, актиномицеты, миксобактерии, грибы.

|	следующая лекция ==>
Органические соединения в клетке	|	Энергетический обмен у микроорганизмов (дыхание)

Дата добавления: 2017-03-29 ; просмотров: 2098 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Поступление питательных веществ и воды в клетку и выделение продуктов обмена во внешнюю среду происходит через всю поверхность клеток. Проникновение питательных веществ в клетку всегда осуществляется за счет явлений осмоса и диффузии.Явление осмоса всегда возникает там, где есть два раствора с разной концентрацией веществ, разделенных между собой полупроницаемой мембраной. Проникновение через полупроницаемую перегородку воды и растворенных в ней веществ происходит по-разному. Вода всегда стремится в сторону большей концентрации, чтобы разбавить раствор. Скорость движения будет тем больше, чем больше будет разность концентраций растворенных веществ по обе стороны полупроницаемой мембраны. Каждое растворенное вещество движется в ту сторону, где его концентрация ниже. Движущей силой будет возникшее осмотическое давление т. е. та энергия, с какой оба вещества будут стремиться выровнять свою концентрацию. Проникновение каждого вещества через перегородку прекращается лишь тогда, когда по обе стороны концентрация его станет одинаковой. В зависимости от концентрации веществ в окружающей среде микробная клетка может находиться в трех состояниях.

— Турroр — если осмотическое давление микробных клеток, обусловленное растворенными в клеточном соке веществами, несколько выше, чем в среде, то за счет притока из нее воды в клетке создается определенное упругое напряжение. Протопласт клетки при этом прижимается к клеточной оболочке, слегка растягивая ее. Находясь на пищевых продуктах в таком состоянии, микробы проявляют большую активность и быстро вызывают порчу. Поэтому в пищевой промышленности часто используются такие методы консервирования пищевых продуктов, как сушка и вяление, чтобы микробы не переходили в состояние тургора и не вызывали их порчу.

— Плазмолизесли микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объеме, и протопласт отстает от клеточной оболочки. Это явление широко используется в пищевой промышленности, когда продукты питания консервируются сахаром и солью.

— Плазмомтис — явление, обратное плазмолизу. Наступает при чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды, когда вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении бактерий в дистиллированную воду.

Требования большинства микроорганизмов к источникам питания разнообразны. Однако, учитывая некоторые общие особенности питания микробов, их принято делить на две группы.

I. Автотрофы — питаются, подобно зеленым растениям, минеральными веществами, синтезируя из этих простых веществ все сложные компоненты клетки. Автотрофные (от греч. аutos – сам, trophe – пища) микроорганизмы способны в качестве единственного источника углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту и ее соли.

Среди автотрофных микроорганизмов имеются виды, которые ассимилируют углекислый газ, как и зеленые растения, используя солнечную энергию, — их называют – фотосинтезирующими. К ним относятся некоторые пигментные бактерии, например зеленые и пурпурные серобактерии.

Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Такие микроорганизмы называют хемосинтезирующими. К ним относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотистую кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии).

II. Гетеротрофы (от греч.heteros – другой) — подобно животным организмам нуждаются в органических соединениях, которые служат одновременно источником углерода и энергии. Их подразделяют на две группы:

— сапрофиты (от греч. sapros – гнилой, phyton – растение) — они живут за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. К ним относятся все те микробы, которые разлагают органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья;

— паразиты — они способны развиваться только в теле других организмов, питаясь органическими веществами, входящими в состав последних. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений.

2.3. ДЫХАНИЕМИКРООРГАНИЗМОВ

Описанные выше процессы ассимиляции пищи протекают с затратой энергии. Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду.

Схематично реакцию окисления-восстановления при участии фермента дегидрогеназы можно представить следующим образом:

Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны.

В 1861 г. французский ученый Л.Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода, в то время как все высшие организмы – растения и животные – могут жить только в атмосфере, содержащей кислород.

По этому признаку (по типам дыхания) Л.Пастер разделил микроорганизмы на две группы – аэробы и анаэробы.

Аэробы для получения энергии осуществляют окисле­ние органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО₂ и Н₂О. Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

Анаэробы— это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями. Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислые брожения. Рассмотрим на примере спиртового брожения:

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных,илистрогих, анаэробов. К ним относятся возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма. Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют – факультативными,илиусловными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей и др.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9123 — | 7290 — или читать все.