Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов.
Иногда вирусы образуют с животными симбиоз. Так, например, яд некоторых паразитических ос содержит структуры, называемые поли-ДНК-вирусами (PDV), имеющие вирусное происхождение.
Однако основная роль вирусов в биосфере связана с их деятельностью в водах океанов и морей. Вирусы — это самая распространенная форма жизни в океане, их концентрация достигает 10 млн вирусов на 1 миллилитр поверхности моря. Они необходимы для регуляции пресноводных и морских экосистем. Большая часть этих вирусов является бактериофагами. Они поражают и разрушают бактерии в водном микробном сообществе, таким образом, участвуя в важном процессе круговорота углерода в морской среде. Органические молекулы, освободившиеся из бактериальных клеток благодаря вирусам, стимулируют рост новых бактерий и водорослей. Вирусы являются главными агентами, вызывающими быстрое прекращение цветения воды, убивающего другую жизнь в море, за счёт гибели вызывающих его водорослей. Регулируя процесс фотосинтеза, они играют второстепенную роль в сокращении количества СО2 в атмосфере.
Вирусы являются важным естественным средством переноса генов между различными видами, что вызывает генетическое разнообразие и направляет эволюцию.
Вирусы являются возбудителями заболеваний (вирусы мозаичной болезни пшеницы, овса и табака, кольцевой пятнистости картофеля и др.)
Генетики часто используют вирусы как векторы для ввода генов в изучаемые клетки. Это позволяет заставить клетку производить чуждые вещества, а также изучить эффект от ввода нового гена в геном.
Разрушать углеводороды в природе могут представители Arthrobacter, Methylomonadas, Methylococcus, Pseudomonas, Flavobacterium, Streptococcus, Nocardia, Mycobacterium, дрожжи рода Candida, ряд мицелиарных грибов.
Большинство микроорганизмов, развивающихся на газообразных углеводородах данной группы, принадлежат к родам Methylomonas, Hyphomicrobium. Pseudomonas, Mycobacterium, Nocardia и др. К облигатным окислителям метана относят представителей семейства Methylomonadaceae,родов Methylomonas, Methylobacterium, Methylococcus, Merhylosinusи Me/hylocystis.Перечисленные виды принадлежат к группе метилоторфных микроорганизмов. Они окисляют метан до метилового спирта.
Известно большое число микроорганизмов, способных развиваться на алканах, имеющих от одного до 34 атомов углерода. Описаны виды, обитающие на циклических (нафтеновых) углеводородах. Хорошо изучены бактерии, усваивающие моноциклические (бензол, толуол, ксилол) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен) ароматические углеводороды. Это представители родов Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,дрожжи и др.
Окисление углеводородов с участием микроорганизмов обычно происходит при помощи адаптивных ферментов. Конечные продукты окисления углеводородов — диоксид углерода и вода, однако обнаруживаются и промежуточные продукты — спирты, органические кислоты, эфиры и другие соединения.
Аэробное дыхание – основной процесс катаболизма(энергетического метаболизма) многих прокариот. При аэробном дыхании донором водорода или других электронов являются обычно органические (реже неорганические) вещества, а конечным акцептором электронов– молекулярный кислород.
Аэробное дыхание характерно тем, что основное количество энергии при этом процессе образуется в электротранспортной цепи, то ест в результате мембранного фосфорилирования.
Зависимость микробов от аэробного дыхания
Аэробное дыхание присуще широкому кругу микроорганизмов. Однако различают микроорганизмы – строгие аэробыи факультативные анаэробы. Последние, способны расти как в присутствии, так и в отсутствии кислорода. Факультативные анаэробы способны синтезировать АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту) при брожении, но при наличии молекулярного кислорода способ получения АТФ меняется и начинается осуществляться процесс дыхания.
К факультативным анаэробам относят микробы, у которых анаэробное дыхание происходит при использовании в качестве акцепторов электронов нитратов.
Строгими анаэробами считаются микробы, осуществляющее анаэробное дыхание, при котором акцепторами электронов служат карбонаты и сульфаты.
Фазы аэробного дыхания
Процесс аэробного дыхания подразделяется на две фазы:
Серия реакций, благодаря которым органический субстрат окисляется до CO2 , а освобождающиеся атомы водорода перемещаются к акцепторам. Эта фаза состоит из цикла реакций гликолиза, приводящих к образованию пирувата (пировиноградной кислоты) и цикла реакций Кребса(цикла трикарбоновых кислот– ЦТК).
Окисление освобождающихся атомов водорода кислородом с образованием аденозинтрифосфорной кислоты(АТФ).
Обе фазы приводят к окислению субстрата до углекислого газа (CO2) и воды (H2O), и образованию биологически полезной энергии в виде различных соединений: аденозинтрифосфата (АТФ); цитозинтрифосфата (ЦТФ); уридинтрифосфата (УТФ); гуанозинтрифосфата (ГТФ); креатинфосфата; ацетилфосфата.
Цикл Кребса также называется циклом трикарбоновых кислот, так как они образуются в нем в качестве промежуточных продуктов. Представляет собой ферментативный кольцевой конвейер, «работающий» в матриксе митохондрий.
Результатом цикла Кребса является синтез небольшого количества АТФ и образование НАД · H2, который далее направляется на следующий этап клеточного дыхания– дыхательную цепь (окислительное фосфорилирование), расположенную на внутренней мембране митохондрий.
Образовавшаяся в результате гликолизапировиноградная кислота (пируват) поступает в митохондрии, где она в конечном итоге полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ и воду. Сначала это происходит в цикле Кребса, затем при окислительном фосфорилировании.
До цикла Кребса пируват декарбоксилируется и дегидрируется. В результате декарбоксилирования отщепляется молекула CO2, Они соединяются с НАД.
В результате из пировиноградной кислоты образуется уксусная, которая присоединяется к коферменту А. Получается ацетилкофермент А (ацетил-КоА) – CH3CO~S-КоА, содержащий высокоэнергетическую связь.
Превращение пирувата в ацетил-КоА обеспечивает большой ферментативный комплекс, состоящий из десятков полипептидов, связанным с переносчиками электронов.
Цикл Кребса начинается с гидролиза ацетил-КоА, при котором отщепляется ацетильная группа, содержащая два атома углерода. Далее ацетильная группа включается в цикл трикарбоновых кислот.
Ацетильная группа присоединяется к щавелевоуксусной кислоте, имеющей четыре атома углерода. В результате образуется лимонная кислота, включающая шесть атомов углерода. Энергию для этой реакции поставляет макроэргическая связь ацетил-КоА.
Далее следует цепь реакций, в которых связанная в цикле Кребса ацетильная группа дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул CO2. При этом для окисления используется кислород, отщепляемый от двух молекул воды, а не молекулярный. Процесс называется окислительным декарбоксилированием. В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется.
Вернемся на этап лимонной кислоты. Ее окисление проходит за ряд ферментативных реакций, при которых образуются изолимонная, щавелевоянтарная и другие кислоты. В результате этих реакций, на разных стадиях цикла, восстанавливаются три молекулы НАД и одна ФАД, образуется ГТФ (гуанозинтрифосфат), содержащий макроэргическую фосфатную связь, энергия которой впоследствии используется для фосфорилирования АДФ. В результате образуется молекула АТФ.
Из корневого волоска гифы проникают в эпидермис и кору корня, вызывая деление и гипертрофию инфицированных клеток. Как правило, клубки гиф заполняют центр клеток растения, у клеточных стенок происходит расширение и деление концов гиф, в последнем случае формируются специфичные структуры, так называемые везикулы. В клубеньках образуется вещество, подобное леггемоглобину бобовых растений. В конце вегетации везикулы деградируют, но в клетках растений сохраняются гифы, заражающие весной новые ткани. Обычно при симбиозе с небобовыми растениями энергия азот- фиксации актиномицетами рода Frankia больше, чем у клубеньковых бактерий бобовых растений.
Клубеньки обнаружены у большой группы травянистых растений — злаковых, осоковых, лютиковых и др. В клубеньках этих растений выявлены микробные ассоциации, состоящие из двух-трех видов микроорганизмов, которые представлены грамположительными и грамотрицательными бактериями. Установлено, что в клубеньках осуществляется азотфиксация, однако роль отдельных бактерий в нем пока не определена.
В последнее время из клубеньков на растениях, не относящихся к бобовым, — тропическом кустарнике Trema orientalis (семейство крапивных) и близком к нему Parasponia parviflora — выделены бактерии, близкие к клубеньковым бактериям бобовых. Указанные бактерии способны заражать бобовые растения и образовывать клубеньки. Их относят к роду Rhizobium. Из клубеньков на листьях тропических кустарников Pavetta и Psychotria выделены азотфиксирующие бактерии, отнесенные к роду Klebsiella (Klebsiella rubacearum). Листовые клубеньки также обогащают растение азотом. Поэтому в Индии, Шри-Ланке и других странах листья Pavetta используют как зеленое удобрение.
Азотфиксирующие симбионты обогащают почву азотом в следующей степени: однолетние бобовые (фасоль, соя, вика, бобы, горох, чечевица) накапливают 40—110 кг/га азота в год, многолетние (клевер, люцерна) — 150—220, тропическое бобовое — Sesbania rostrata — от 324 (сухой сезон) до 458 (влажный сезон), небобовые растения — 150—300 кг/га азота в год.
При всех реакциях дегидрирования в цикле Кребса атомы водорода, отщепляемые специфическими дегидрогеназами, акцептируются коферментами НАД и НАДФ и затем переносятся по цепи переносчиков. Однако фактически происходит перенос не атомов водорода, а только электронов. Ядра атомов водорода, по-видимому, свободно перемещаются по растворителю в виде протонов. По этой причине цепь переносчиков часто называют цепью переноса электронов, или дыхательной цепью. Цепь переноса электронов содержит переносчики — молекулы трех различных групп, представляющие собой окислительно - восстановительные ферменты, такие как флавопротеиды, хиноны и цитохромы.
Флавопротеиды содержат в качестве простетических групп флавинадениндинуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН); они передают электроны от восстановленных пиридиновых нуклеотидов к последующим переносчикам дыхательной цепи. Хиноны (наиболее распространен убихинон или кофермент Q) представляют собой небелковые переносчики с небольшой молекулярной массой. Они являются промежуточными компонентами между флавопротеидами и цитохромами. Цитохромы содержат железопорфириновые простетические группы и напоминают гемоглобин и миоглобин. При переносе электронов цитохромами происходит обратимое окисление атома железа:
O2 + 4Fe2+ -> 2O2- + 4Fe3+
Электроны, отнятые от органического субстрата, переносятся последовательно через промежуточные переносчики — флавопротеид, убихинон (кофермент Q) и цитохромы, пока последний переносчик в восстановленном состоянии не прореагирует с молекулярным кислородом. Последняя реакция катализируется ферментом цитохромоксидазой. В итоге такого необратимого конечного окисления вся цепь переносчиков электронов переходит в окисленное состояние, а молекулярный кислород восстанавливается до Н2О.
При переносе электронов на отдельных участках дыхательной цепи выделяется значительное количество свободной энергии. Для того чтобы использовать освобождающуюся свободную энергию, в микробной клетке имеется механизм, объединяющий в единый процесс выделение энергии и образование богатых энергией фосфатных связей (АТФ). Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.
Все аэробные и факультативно-анаэробные бактерии имеют дыхательную цепь, причем ферменты, катализирующие процессы переноса электронов в этой цепи и окислительного фосфорилирования, локализованы в цитоплазматической мембране и мезосомах.
Большинство анаэробных микроорганизмов не имеют цепи переноса электронов. Поэтому при наличии кислорода воздуха в среде происходит непосредственный транспорт водорода флавиновыми дегидрогеназами (ФАД) на кислород, что приводит к образованию перекиси водорода H2 O2 Перекись водорода чрезвычайно токсична и должна быть удалена, что могут осуществить два фермента — каталаза и супероксиддисмутаза, однако они у анаэробных бактерий отсутствуют. В связи с этим одна из причин токсического действия кислорода на анаэробные микроорганизмы заключается в образовании и аккумуляции перекиси водорода в их клетках в летальных дозах.
В результате окислительного фосфорилирования большая часть энергии пировиноградной кислоты становится доступной для микроорганизмов. Суммарно полное окисление глюкозы можно выразить следующим уравнением:
C6H12O6 + 6O2 = 6H6O + 6CO2 + 28,8 * 10^5 Дж
Маслянокислое брожение — метаболический путь превращения органических веществ облигатно анаэробных бактерий, конечными продуктами которого являются АТФ, а также масляная кислота, бутанол, ацетон, изопропанол, этанол, уксусная кислота, углекислый газ и водород.
Маслянокислое брожение начинается с трансформации сахаров в пируват по пути Эмбдсна— Мейергофа— Парнаса. Конечные продукты из пирувата образуются в цепи последовательных реакций, катал изуемых несколькими ферментными системами. Остановимся на кратком описании данного процесса.
Пируват превращается в ацетил-СоА, С02 и Н, при участии ферментной системы: пируват + ферредоксиноксидоредуктаза. Из ацетил-КоА через а цетил фосфат синтезируется ацетат. Синтез бугирата начинается с конденсации двух молекул ацетил-КоА, возникших в результате декарбоксил ирования пиру вата, что приводит к образованию ацетоацетил-КоА. Последний восстанавливается в (3-оксибу- тирил-КоА. С отщеплением от молекулы Р-оксибутирил-КоА молекулы воды возникает кротонил-КоА, ферментативно восстанавливающийся в бутирил-КоА. Наконец, после гидролиза бутирил-КоА и переноса КоА на ацетат образуется бутират.
Превращение ацетил-КоА в ацетилфосфат, а затем в ацетат сопровождается синтезом АТФ. Таким образом, в процессе субстратного фосфорилирования при маслянокислом брожении синтезируется третья молекула АТФ (две другие образовались в процессе гликолитического расщепления глюкозы). Суммарное уравнение маслянокислого брожения:
4C6H12O6 = 3CH3CH2CH2COOH + 2CH3COOH + 8CO2 + 8H2
Мслянокислое брожение — не всегда желательный процесс. Например, при его развитии в заквашиваемых кормах белковая часть корма разлагается, а накопившаяся масляная кислота придает продукту неприятный запах. Вместе с тем для некоторых промышленных целей требуется чистая масляная кислота. Ее получают на заводах, специально сбраживая подготовленные среды чистой культурой маслянокислых бактерий. Образовавшуюся кислоту отделяют и очищают химическим методом.
Ацетонобутиловое брожение.
Возбудитель ацетонобутилового брожения — С. acetobutylicum, он широко распространен в почвах, имеет палочковидные клетки (0,6—0,9 х 2,4—4,7 мкм) с пери- трихальным жгутикованием. Характерно образование овальных спор, которые располагаются в клетке субтсрминально. Бактерии сбраживают моно-, ди- и полисахариды, а также глицерин, маннит, глюконат, пируват и ряд других соединений, фиксируют молекулярный азот. Оптимальная температура для их роста 37—38 °С, оптимальное значение pH среды — 5,1—6,9. Ацетонобутиловые бактерии способны разлагать белки.
Сбраживание углеводов при помощи данных бактерий происходит по пути Эмбдена— Мейергофа—Парнаса. Образовавшийся в результате декарбоксил ирования пирувата ацетил-КоА восстанавливается в этанол, идет на синтез ацетата или конденсируется в ацетоацетил-КоА. Последний декарбоксилируется, что приводит к образованию ацетона, или восстанавливается в бутирил-КоА, который может трансформироваться в бутират или восстанавливаться через бутиральдегид до бутанола. Суммарная схема ацетонобутилового брожения:
C6H12O6 -> CH3CH2CH2CH2OH + CH3COCH3 + CH3CHOHCH3 + H2 + CO2
Основные конечные продукты брожения, как видно, — бутанол, этанол, ацетон, 2-пропанол, а также ацетат и бутират. Однако характер конечных продуктов определяется как видовой принадлежностью используемого для брожения микроорганизма, так и условиями, в которых идет процесс. Установлено, что ацетонобутиловое брожение имеет двухфазный характер. В течение первой фазы наблюдается активный рост бактерий, в среде идет накопление преимущественно органических кислот. Во второй фазе брожения снижается значение pH среды, рост бактерий замедляется, преобладает синтез нейтральных продуктов — ацетона, бутанола и этанола.
Двухфазность ацетонобутилового брожения связана с pH среды. Если кислотность среды в результате накопления органических кислот возрастает до pH 4,5 и более, происходит интенсивное образование нейтральных продуктов, что предупреждает дальнейшее подкисление среды, неблагоприятное для бактерий.
Ацетонобутиловые бактерии значительно более требовательны к среде, чем маслянокислые. Эти микроорганизмы нуждаются в готовых аминокислотах и витаминах (биотин и //-аминобензойная кислота).
Описанный вид брожения широко используют в промышленном производстве ацетона и бутанола из кукурузной муки и другого крахмалистого сырья. Ацетон применяют для производства искусственного шелка и кожи, фотографических пленок, искусственного цемента и других продуктов, бутанол — при производстве лаков. Газы, образующиеся при ацетонобутиловом брожении, идут на синтез метанола.