Автотрофы - (хемолитотрофы и фотоорганотрофы) получают углерод из углерода диоксида (СО2) воздуха и создают органическое вещество при помощи энергии, освободившейся в процессе окисления некоторых минеральных соединений (хемосинтез) или энергии солнца (фотосинтез). Явление хемосинтеза у хемолитотрофов впервые (1887) установлено русским микробиологом С.Н.Виноградским при изучении бесцветных серобактерий, нитрифицирующих и других микроорганизмов.
Фотолитотрофы - обладают фотосинтезирующей способностью, так как содержат в своем составе пигменты (красящие вещества). Пигменты фотолитотрофов по своему составу близки к хлорофиллу зеленных растений. Фотобактерии, как и растения, создают органическое веществ, используя углерод из углерода диосида и энергии солнца. Автотрофы могут развиваться в чисто минеральных средах, они не способны усваивать более сложные соединения углерода и поэтому не являются патогенными для животных.
Гетеротрофы (хемоорганотрофы) - микроорганизмы, которые для своего питания используют углерод из готовых органических соединений. Эта группа наиболее многочисленна по своему составу. Она включает в себя как сапрофитов, так и паразитов. Сапрофиты, или метатрофы, питаются мертвой тканью животных и растений. Паразиты, или паратрофы, используют для своего питания органические соединения живых организмов и ведут паразитический образ жизни. Это возбудители инфекционных болезней. Азот входит в состав жизненно важных компонентов микробной клетки белков и нуклеиновых кислот. Источники азота для микробов разные, в связи с чем некоторые исследователи Н.Д.Иерусалимский делят их на группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Первые из них синтезируют белок из минеральных или простейших соединений азота, а также из воздуха; вторые используют главным образом готовые аминокислоты. Микробная клетка нуждается в минеральных веществах.
Калий - активизирует ферментативные системы, ускоряет течение физиологических процессов, в связи с чем его нельзя заменить другими элементами. Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу, пептидазу и другие ферменты. Магний в клетке находиться в виде ионов. На фосфор приходится почти половина всей золы, он входит в состав нуклеиновых кислот, в живой клетке находится в форме окисла Р2 О5 принимает активное участие в процессах дыхания (окисление).
Сера - один из компонентов белков, входит в состав аминокислот цистина, цистеина и метионина. Большинство микробов усваивают серу из сернокислых солей. Серо и тионовые бактерии используют молекулярную серу. Железо - необходимо в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления, содержится в туберкулезной, кишечных и других бактериях. Микроэлементы нужны микробной клетки еще в меньше количествах, но их отсутствие или недостаток ведет к нарушению нормального роста развития. Молибден, бор, марганец, кобальт, медь и другие микроэлементы являются компонентами многих ферментов и витаминов.
Механизм метаболизма у микробов. - Питательные вещества внутри клетки проникают через всю ее поверхность. Микробная клетка потребляет их за сутки и 20-30 раз больше своей массы. Поступление питательных веществ - это не простое механическое движение, а сложный физико-химический процесс, в котором большую роль играют их концентрация, строение, растворимость, размеры молекул, проницаемость цитоплазматической мембраны, ферменты, РН среды, изоэлектрическая точка вещества цитоплазмы и др.
Анаболизм - (конструктивный обмен) и катаболизм (энергетический обмен) обычно протекают одновременно. Они взаимосвязаны и являются составляющими единого процесса метаболизма. Питательные вещества в микробную клетку поступают разными способами. Наиболее простой из них - пассивная диффузия, при которой перемещение вещества происходит вследствие разности их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Путем пассивной диффузии через цитоплазматическую мембрану, кроме воды, проходят лишь некоторые вещества. Скорость такой диффузии невелика. Она осуществляется без затраты энергии.
При более высокой концентрации веществ в окружающей среде (плазмолизе) происходит сморщивание цитоплазмы и отделение ее от оболочки. Наступает состояние расслабления и вялости, которое приводит клетку к гибели. Подобное явление наблюдается в природе, а иногда его создает и человек. Варены готовят, огурцы солят, капусту квасят путем повышения среды, неблагоприятной для развития микробов, что способствует сохранению продукта. Обратное явление, называемое деплазмолизам, наблюдается при ничтожно малой концентрации солей в окружающей среде. Жидкость проникает внутрь клетки до тех пор, пока концентрация веществ клетки и среды не сравняется. Обычно этому предшествует разрыв оболочки. Так бывает в том случаев, если микробы попадают в дистиллированную воду. Плазмолиз, так и деплазмолиз неблагоприятно влияют на микробов и часто приводят их к гибели. В природе большая разница в концентрации веществ наблюдается сравнительно редко, но она имеется, благодаря чему происходит рост. Жидкость, а вместе с ней и растворимые вещества проникают внутрь клетки, цитоплазма плотно прижимается к мембране и находится в состоянии напряжения (тургора).
Дыхание микробов.
Дыхание микробов представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В итого окислительное - восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой, а остальное количество клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду.
В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление - его присоединения. Эти же термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и электронов или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении - их присоединении. Перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.
Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливается окислительное восстановительным потенциалом. По предложению М.Кларка, его обозначают чН2 (отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода). Это степень насыщения среды кислородом или водородом. Диапазон чН2 колеблется от О до 42,6%. При чН2 < 28 среда характеризуется восстановительными свойствами, при чН2>28- окислительными, при чН2--, равным 28, - среда нейтральная. Аэробы живут при более высоком окислительное - восстановительном потенциале (чН214 -35), анаэробы - при более низком (2чН2 0-12). Ионы Н+ (протоны), переносятся против электрохимического градиента, то есть из среды с меньшей концентрацией в среду, где их много. Процесс переноса протонов связан с потреблением энергии. Проникновение ионов водорода через мембрану происходит не по законам осмоса, а активно с помощью насоса, который называется водородной лампой. Биологические преобразования в цитоплазме микробной клетки связаны с движением протонов и электронов, но это не простое электрическое движение, а сложный биохимический процесс, который осуществляется при помощи ферментов. Последние катализируют реакции, ускоряют разрыв ковалентных связей и тем самым снижают энергию активации.
Электроэнергия, вырабатываемая микробами, может быть использована даже в некоторых приборах. В настоящее время сконструированы передатчики, работающие на биологической электроэнергии ее вырабатывают микроорганизмы, питающиеся сахаром, растворенным в морской воде.
Энергия, освобождаемая в процессе окислительное - восстановительных реакций, накапливается в макроэнергических соединениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединения содержат макроэнергические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Они локализованы в сложно устроенных структурах, или митохондриях. Такие структуры имеются не только в растительных и животных клетках, но и в плесневых грибах, дрожжах и других микроорганизмах. Мезосомы представляют собой выпячивания цитоплазматической мембраны и являются как бы энергетическим станциями клеток, в которых происходит окисление углеводов, аминокислот, жирных кислот и других соединений. С мезосомами связан процесс окисления микробной клетки энергией. Здесь же находятся ферменты, управляющие энергетическим процессом.
Хемоосмотическая гипотеза биоэнергетики впервые 1961 г. была опубликована английским ученым П.Митгеллом и только через 17 лет 1978 г. получила международное призвание удостоена Нобелевской премии.
Большое количество энергии, образуемой микроорганизмами, выделяется в окружающую среду и вызывает повышение температуре. Подобное явление наблюдается при силосовании кормов, биотермическом обеззараживании навоза, в скирдах или стогах плохо высушенного сена, во влажном зерне. Тепло, выделяемое микроорганизмами, называют биотопливам. По типу дыхания микробов делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов. Аэробы хорошо растут на поверхности среды, которая соприкасается с воздухом.
Анаэробы в такой среде жить не могут, так как они приспособлены к существованию при более низком окислитеольно - восстановительном потенциале. Факультативные анаэробы могут быть при окислительно- восстановительном потенциале в пределах от О до 20 и выше. В такой диапазон укладывается окислительно - восстановительным потенциал как для аэробов (14-20 и выше), так и для анаэробов (0-12). Эта группа более многочисленна по своему составу, она включает в себя как сапрофитов, так паразитов.
Аэробное дыхание микроорганизмов это процесс, при котором последним акцептором водород. В результате окисления, главным образом сложных органических соединений, образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэнергических фосфатных связах АТФ. Различают полное и неполное окисление.
5. Ферменты и их роль превращении веществ микроорганизмами
В каждом организме (животном, растительном или микробной клетке) все время происходят сложные процессы превращения веществ. Велика роль в этих процессах ферментов биологических катализаторов белковой природы. И не только белковой. Как установлено (1981-1986 г), свойствами ферментов обладают также РНК, они катализируют биологические процессы в клетке. РНК названы «рибозамами». Следовательно, РНК совмещает в себе функции носителя генетической информации и фермента (Томас Р.Чек, Колорадский университет, США, 1986 г). Ферменты микробов делят на эндо и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой, осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные части клетки.
Экзоферменты выделяются в окружающую среду, где производят превращение питательных веществ до более простых соединений, которые затем проходят через оболочку микробной клетки и служат пластическим материалом. В 1898 г. ученик Л.Пастера Эмиль Дюкло предложил ферменты называть по веществу, на которое они действуют с добавлением окончания «аза», Например фермент, действующий на крахмал, называют амилаза, на жиры - липаза, на белки - протеиназа.
Свойства ферментов.
Все процессы, которые протекают в микробной клетке, полностью зависят от активности ферментов. Ферменты растворимы в воде, а также в растворах солей, кислот, щелочей. Они имеют большую молекулярную массу и имеют электрический заряд. Ферменты - это белковые комплексы, по форме кристаллы, которые могут выпадать из растворов. Существует две группы ферментов: однокомпонентные, в состав которых входят белок - носитель и так называемая простетическая, или активная группа.
Белковых носитель называется апоферментом, активная группа - коферментом. По отдельности белковая и простетическая группы не обладают ферментативной активностью и только после, соединения они приобретают свойства ферментов.
Специфичность действия - одно из наиболее характерных свойств ферментов. Они способны реагировать только с определенным химическим соединением или группой родственных соединений. Фермент лактоза расщепляет только молочный сахар, уреаза гидролизирует мочевину, каталаза разрушает перекись водорода и т.д.
Каталитическая активность проявляется в очень малых количествах. Один грамм амилаза может разложить 1 т крахмала, 1 г химозина может свернуть 12 т молока, 1 г пепсина способен расщепить 50 кг коагулированного белка, одна молекула каталазы при 400С в течение секунды разрушает 550 тыс. молекулы перекиси водорода. Существует большое несоответствие между количеством фермента и действием, которое он оказывает на вещество.
Ферменты термолабильны. Они легко инактивируются при нагревании. При 50-600С ферменты снижают свою активность, при 800С происходит инактивация большинства из них, а при 1000С наступает полное разрушение. Это объясняется прежде всего тем, что ферменты имеют белковую природу. Оптимальная температура их действия 30-500С, для ферментов же животного происхождения - 37- 400С.
Ферменты действуют при определенном рН. Реакция среды, в которой ферменты проявляет свою активность, разная. Пепсин действует в кислой среде (рН 1,5-2,5), трипсин - слабощелочной (рН 7,8-8,7), каталаза и уреаза - в нейтральной (рН 7).
Ферменты не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов. Они нетоксичны. Это важное свойство имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства. Если бы ферменты оказались ядовитыми, невозможно было бы использовать многие продукты ферментации особенно в пищевой промышленности в медицине.
Классификация ферментов. В настоящее время известно более 2000 ферментов, поэтому возникла необходимость в научно обоснованной их классификации. Все ферменты объединены в шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролозы, мазы, изомеразы, лигазы или синтетазы.