Понятие о физиологии микроорганизмов. Конструктивный и энергетический обмен у микроорганизмов

6. Понятие о физиологии  микроорганизмов. Конструктивный и  энергетический обмен у микроорганизмов?

Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой

 Понятие о конструктивном  и энергетическом обмене

 

Метаболизмом или обменом веществ называется сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами, и обеспечивающих обмен веществами и энергией между средой обитания и клеткой.Несмотря на физиологические и морфологические различия между микроорганизмами, обмен веществ в клетке идет тремя основными метаболическими путями:

1.  Из внешней  среды в клетку поступает энергия  либо в виде химической энергии  органических веществ, либо в  виде энергии солнечного света.

2. Из веществ  среды, перенесенных в клетку, собираются  «строительные блоки», из которых  формируются биополимеры клетки  и синтезируются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие  клеточные компоненты.

3.  В клетке  постоянно происходят синтез  и разрушение биомолекул, выполняющих  различные специфические функции. Обмен веществ можно рассматривать  как сумму двух явлений:

• катаболизма (энергетического обмена), представляющего собой ферментативное расщепление крупных органических молекул с выделением свободной энергии, которая запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ;

• анаболизма (конструктивного обмена), представляющего собой синтез  биополимеров клетки и протекающего с затратой энергии.

Катаболизм и анаболизм – два самостоятельных пути в обмене веществ, хотя отдельные участки их могут быть общими. Такие общие участки, свойственные катаболизму и анаболизму, называются амфиболитическими.

Катаболитические и анаболитические превращения осуществляются последовательно, так как продукт реакции предыдущей стадии является субстратом для последующей.Энергетический обмен тесно связан с конструктивным . В ходе биологического окисления образуются разнообразные промежуточные продукты  (фосфорные эфиры  сахаров,  пировиноградная,  уксусная, щавелевоуксусная, янтарная, a-кетоглутаровая кислоты), из которых вначале синтезируются  монополимеры  (аминокислоты,   азотистые  основания, моносахариды), а затем основные макромолекулы клетки. Синтез компонентов клетки идет с затратой энергии, которая образуется при энергетическом обмене. Эта энергия затрачивается также на осуществление активного транспорта веществ, необходимых для анаболизма.

Взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена заключается и в том, что процессы биосинтеза, кроме энергии, требуют поступления извне восстановителя в виде водорода, источником которого также служат реакции энергетического обмена. Скорость течения реакций и в целом обмен веществ клетки зависят от состава питательной среды, условий культивирования микроорганизмов и, главное, от потребности клетки в каждый данный момент в энергии (АТФ) и «строительных блоках». Клетка очень экономно высвобождает энергию и нарабатывает строительных блоков ровно столько, сколько необходимо ей в настоящий момент. Этот принцип лежит в основе регуляции и контроля всех стадий метаболических путей в клетке.

Регуляция метаболизма в микробной клетке имеет сложную взаимозависимую систему, которая «включает» и «выключает» определенные ферменты с помощью самых различных факторов: рН среды, концентрации субстратов, некоторых промежуточных и конечных метаболитов и т.д. Изучение путей регуляции определенных продуктов обмена веществ в клетке открывает неограниченные возможности для определения оптимальных условий биосинтеза микроорганизмами целевых продуктов.

 Энергетический метаболизм, его сущность. Макроэргические соединения. Типы фосфорилирования

 

Способы получения энергии у микроорганизмов различны. Некоторые микроорганизмы (фототрофы) способны перерабатывать химическую энергию солнечного света, другие (хемотрофы) получают энергию путем окисления химических веществ.

Окислением принято считать процесс отнятия двух атомов водорода. Этот процесс носит название дегидрирование. Восстановление того или иного соединения представляет собой присоединение двух атомов водорода (гидрирование).

Окисление может быть представлено следующим образом:

                           

АН2   ®   А + 2Н+,

В  + 2Н+ ® ВН2 + А

Суммарное уравнение:    АН2 + В ® BH2 + А

 

В этой реакции АН2 – восстановитель или донор ионов водорода, а В – окислитель (акцептор), так как присоединяет ионы водорода.

Водород и электроны, отнятые от окисляемого субстрата (донора), переносятся к конечному акцептору не непосредственно, а ступенчато, поэтапно с помощью окислительно-восстановительных ферментов. К таким ферментам относятся дегидрогеназы, которые переносят водород, и ферменты цитохромной системы – цитохромы и цитохромоксидаза, которые переносят электроны. Дегидрогеназы и цитохромная система образуют дыхательную цепь.

Набором окислительно-восстановительных ферментов объясняется отношение микроорганизмов к молекулярному кислороду. В зависимости от способа  получения энергии  и от конечного акцептора водорода микроорганизмы можно разделить на три физиологические группы:

• облигатные аэробы – микроорганизмы, которые не могут существовать без кислорода. Энергию эти микроорганизмы получают в результате окисления веществ в присутствии кислорода воздуха (дыхания). У этих микроорганизмов в клетках имеется полный набор окислительно-восстановительных ферментов, осуществляющих перенос протона водорода и электронов на кислород. Примером микроорганизмов этой группы являются микроскопические грибы и уксуснокислые бактерии ;

• облигатные анаэробы – микроорганизмы, для которых кислород является клеточным ядом. Такие микроорганизмы получают энергию в процессе брожения. В составе клеток облигатных анаэробов имеются специфические дегтдрогеназы и отсутствуют цитохромы и цитохромоксидаза. Представителями облигатных анаэробов являются маслянокислые бактерии рода Clostridium, бифидобактерии;

 • факультативные анаэробы – микроорганизмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (осуществляют как дыхание, так и брожение). В клетках факультативных анаэробов присутствуют кроме окислительно-восстановительных ферментов, переносящих водород и электроны на кислород (участвуют в процессе дыхания) специфические ферменты (участвуют в процессе брожения). К факультативным анаэробам относятся дрожжи, молочнокислые, пропионовокислые бактерии и другие микроорганизмы.

Энергия, образуемая при энергетическом обмене, трансформируется в энергию макроэргических связей молекул АТФ. Процесс образования АТФ называется фосфорилированием.

Механизм образования АТФ у разных групп микроорганизмов неодинаков. Поэтому различают субстратное, окислительное и фотофосфорилирование.

Фотофосфорилирование – образование АТФ при поглощении квантов света молекулами хлорофилла. В результате от молекулы хлорофилла отрываются электроны, которые, проходя по цепи переноса электронов, отдают свою энергию системе АДФ-АТФ, в результате чего энергия света трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

Субстратное фосфорилирование – образование АТФ непосредственно на молекуле субстрата. Протекает в анаэробных условиях на стадиях превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоэнолпировиноградной кислоты в пировиноградную кислоту (в процессе гликолиза).

Окислительное фосфорилирование – образование АТФ одновременно с процессом переноса протонов и электронов по дыхательной цепи ферментов. На каждые 2 атома водорода, поступившие в дыхательную цепь, синтезируются 3 молекулы  АТФ.   Окислительное   фосфорилирование   осуществляется аэробными и факультативно-анаэробными микроорганизмами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17. Микробиологические процессы вызывающие изменение жиров и клетчатки: возбудители химизм их действия, влияние на качество пищевых продуктов?

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.                               

Так как жиры – высокомолекулярные соединения, то в неизменном виде внутрь клетки они попасть не могут. Поэтому вначале происходит гидролиз жира при участии фермента липазы, которая имеется у многих микроорганизмов. В результате образуются глицерин и высшие жирные кислоты. Этот процесс не обеспечивает клетки энергией, поэтому образовавшиеся продукты гидролиза   используются   различными микроорганизмами в качестве энергетического материала. Процесс протекает только в аэробных условиях.

Глицерин подвергается окислению уксуснокислыми бактериями до диоксиацетона и далее микроскопическими грибами до углекислого газа и воды.

Высшие жирные кислоты окисляются труднее и медленнее. В процессе окисления образуются промежуточные продукты: кетоны, альдегиды, оксикислоты и др., которые придают окисленному жиру прогорклый вкус.

Возбудители. Наиболее активными микроорганизмами в процессе разложения жира являются бактерии рода Pseudomonas, особенно флуорисцирующие (продуцирующие пигменты) и мицелиальные грибы: Oidium lactis, многие виды Aspergillus, Penicillium.

 

Практическое значение процесса

Процесс разложения жиров отмерших животных и растений происходит постоянно и имеет большое значение в круговороте веществ в природе.

С другой стороны, в пищевой промышленности микроорганизмы, окисляющие жиры, приносят вред, вызывая порчу пищевых жиров и жира, содержащихся в различных пищевых продуктах.

Следует учитывать, что многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются психрофилами, поэтому способны развиваться при хранении пищевых продуктов в охлажденном состоянии.

 

 Гнилостные процессы. Понятие об аэробном и анаэробном  гниении. Возбудители. Роль гнилостных  процессов в природе, в пищевой  промышленности

 

Гниение – процесс глубокого разложения белковых веществ. Одним из конечных продуктов разложения белковых веществ является аммиак, поэтому процесс гниения называют аммонификацией.

Белки – высокомолекулярные соединения, поэтому вначале они подвергаются внеклеточному расщеплению протеолитическими ферментами микроорганизмов, которые являются экзоферментами.

Расщепление белков происходит ступенчато:

белки → пептоны → полипептиды → аминокислоты.

Образовавшиеся аминокислоты диффундируют внутрь клеток и могут быть использованы как в конструктивном, так и в энергетическом обмене.

Расщепление аминокислот начинается путем их дезаминирования и декарбоксилирования.  При дезаминировании аминокислот происходит отщепление аминогруппы с образованием аммиака, органических кислот (масляной, уксусной, пропионовой, окси- и кетокислот) и высокомолекулярных спиртов.

В дальнейшем образование конечных продуктов зависит от условий протекания процесса и от вида микроорганизма – возбудителя гниения.

Аэробное гниение. Протекает в присутствии кислорода воздуха. Конечными продуктами аэробного гниения являются, кроме аммиака, диоксид углерода, сероводород и меркаптаны (обладающие запахом тухлых яиц). Сероводород и меркаптаны образуются при разложении серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина).

Анаэробное гниение. Протекает в анаэробных условиях. Конечными продуктами анаэробного гниения являются продукты декарбоксилирования аминокислот (отнятие карбоксильной группы) с образованием дурно пахнущих веществ: индола, акатола, фенола, крезола, диаминов (их производные являются трупными ядами и могут вызывать отравления).

 

Возбудители гнилостных процессов

Возбудителями аэробного гниения являются спорообразующие бактерии рода Bacillus: Bacillus mycoides (грушевидная бацилла); Bacillus megaterium (капустная бацилла); Bacillus mesentericus (картофельная палочка); Bacillus subtilis (сенная палочка), а также неспорообразующие палочки: Serrate marcencens (чудесная палочка); Proteus vulgaris (палочка протея); Escherichia coli (кишечная палочка) и другие микроорганизмы.

Возбудителями анаэробного гниения являются анаэробные споровые папочки  рода Clostridium (протеолитические  клостридии): Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum.

 

Практическое значение гнилостных процессов

Гнилостные микроорганизмы нередко наносят большой ущерб народному хозяйству, вызывая порчу богатых белками продуктов питания: мяса и мясопродуктов, яиц, молока, рыбы и рыбопродуктов и др.

В природе (в воде, почве) гнилостные бактерии активно разлагают отмершие животные и растительные ткани, минерализуют белковые вещества и тем самым играют важную роль в круговороте углерода и азота.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22. Микрофлора природной  воды. Оценка качества питьевой воды по микробиологическим показаниям?

 

Вода является благоприятной средой для развития многих микроорганизмов.

В состав микрофлоры воды входят сапрофиты: флуоресцирующие бактерии, микрококки, реже встречаются бактерии рода Bacillus. Содержание в воде микроорганизмов зависит от содержания в ней органических веществ. Степень обсеменения воды организмами характеризуется понятием сапробность воды – это совокупность живых существ, обитающих в водах, загрязненных органическими веществами животного или растительного происхождения.