لفهم عمليات التمثيل الغذائي المعقدة للكائنات الحية الدقيقة ، من الضروري النظر في التركيب الكيميائي للخلية الميكروبية وترسانة الإنزيمات الموجودة بها.
التركيب الكيميائي للخلايا الميكروبية.
التركيب الكيميائي للخلايا الميكروبية هو نفسه الموجود في النباتات العليا. تحتوي على 75-85٪ ماء و 15-25٪ مادة جافة من الكتلة الكلية للخلية.
يعد الماء مكونًا ضروريًا للخلية - حيث تحدث العمليات الكيميائية فيه ، وتذوب المعادن وتتحلل المواد العضوية المعقدة - البروتينات والكربوهيدرات والدهون. البروتينات والأحماض النووية هي الأكثر أهمية في تكاثر الخلايا ونموها. توجد الكربوهيدرات بكميات كبيرة في الخميرة والخلايا الفطرية. هذه هي السكريات - الجليكوجين ، الدكسترين ، الجلوكوز. يوجد القليل من الكربوهيدرات في الخلايا البكتيرية.
توجد الدهون والمواد الشبيهة بالدهون (الدهون) بشكل رئيسي في الطبقة السطحية من السيتوبلازم. تمثل الدهون في المتوسط 3-7٪ من المادة الجافة للخلية (في عصيات السل - 20-40٪ ، فطريات Endomyces - 50-60٪).
توجد المواد المعدنية في خلايا الكائنات الحية الدقيقة بكميات صغيرة (3-10٪ فقط) ، لكن دورها كبير - فهي تؤثر على معدل واتجاه التفاعلات الكيميائية. وأهمها البوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم والحديد وغيرها. يعتمد محتوى الخلايا من البروتينات والدهون والكربوهيدرات والمعادن على نوع الكائن الدقيق وظروف وجوده.
إنزيمات الخلايا الميكروبية.
الإنزيمات عبارة عن مواد عضوية معقدة تحفز التفاعلات الكيميائية. تنتجها الخلايا (تنتجها) لتنفيذ العمليات الفسيولوجية. يمكن أن تحتوي الخلية على العديد من الإنزيمات (في فطر الرشاشيات ، على سبيل المثال ، حوالي 50) ، والتي يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية مختلفة في وقت واحد. الإنزيمات الأكثر شيوعًا التي تنتجها الكائنات الحية الدقيقة هي الكربوهيدرات والبروتياز.
الكربوهيدرات - تكسر النشا والألياف والسكريات الأخرى بمشاركة الماء. وتشمل هذه الأميلازات (تكسر النشا إلى كربوهيدرات بسيطة) ، مالتاز (تكسر مالتوز الكربوهيدرات) ، الليباز (تحلل الدهون والزيوت لتكوين الأحماض الدهنية). تحتوي معظم الكائنات الحية الدقيقة على هذه الإنزيمات.
البروتياز يحفز تدهور البروتينات والببتيدات. يتم إنتاج هذه الإنزيمات عن طريق البكتيريا المتعفنة والعفن والفطريات الشعاعية.
كل إنزيم له عمل محدد ، أي يمكنه فقط شق مركبات معينة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك نقاط أساسية لعمل كل إنزيم فيما يتعلق بدرجة الحرارة ودرجة الحموضة وغيرها من الشروط.
التمثيل الغذائي.
تحتاج كل خلية حية إلى تدفق مستمر للطاقة - فهي تتلقى هذه الطاقة في عملية التمثيل الغذائي. الأيض (التمثيل الغذائي) يشير إلى مجموع جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلية خلال حياتها.
يتم التمثيل الغذائي في اتجاهين رئيسيين.
واحد منهم هو بناء التبادل. إنه ضروري للخلية الحية للنشاط التخليقي الحيوي ، أي لبناء خلية ، واستبدال الأجزاء البالية ، والنمو والتكاثر. تتلقى الخلية مواد البناء اللازمة على شكل غذاء يأتي من الخارج. تدخل العناصر الغذائية الخلية الميكروبية بطريقتين. الأول هو تناضح (انتشار) العناصر الغذائية من البيئة الخارجية ، حيث يكون تركيزها أعلى من تركيزها في الخلية. القوة الدافعة في هذه الحالة هي الاختلاف في الضغوط التناضحية بين الخلية والبيئة الخارجية. الطريقة الثانية هي النقل النشط للمواد الغذائية إلى الخلية باستخدام إنزيمات خاصة. في كلتا الحالتين ، تخترق العناصر الغذائية غشاء الخلية في سيتوبلازم الخلية. تعتبر عملية التغذية أهم وظيفة فسيولوجية للخلية الميكروبية. جوهر عملية التغذية هو أنه تحت تأثير إنزيمات الخلية ، يتم تقسيم المركبات العضوية عالية الوزن الجزيئي إلى وزن جزيئي منخفض: السكريات والأحماض الأمينية والأحماض العضوية ، ومن بينها يتم تصنيع مواد خلية الكائن الحي نفسها: السيتوبلازم ، الخلية الجدار ، والأحماض النووية ، إلخ.
بالإضافة إلى العناصر الغذائية لبناء النشاط الحيوي ، تحتاج الخلية إلى الطاقة. لذلك ، فإن الجانب الثاني من عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة هو استقلاب الطاقة ، أي تزويد الخلية بالطاقة. تحصل الكائنات الحية الدقيقة على الطاقة عن طريق أكسدة المواد العضوية (الكربوهيدرات والدهون ومواد الطاقة الأخرى) في عملية التنفس - وظيفة فسيولوجية مهمة جدًا. في الكائنات الحية المختلفة ، تتم عملية التنفس بطرق مختلفة ، اعتمادًا على علاقتها بالأكسجين. وهكذا ، تستخدم الأيروبس الأكسجين الغازي وتحصل على الطاقة من خلال أكسدة المادة العضوية (التنفس). هذا ممكن بسبب وجود إنزيمات معينة في خلايا الأيروبس - السيتوكرومات. في اللاهوائية ، هذه الإنزيمات غائبة وتحدث عملية الحصول على الطاقة دون مشاركة الأكسجين. فيما يتعلق بالأكسجين ، تنقسم اللاهوائية إلى ثلاث مجموعات. لا تستطيع الكائنات اللاهوائية الصارمة (على سبيل المثال ، بكتيريا حمض الزبد) أن تعيش في وجود الأكسجين بشكل عام. يتلقون الطاقة عن طريق الأكسدة المترافقة - تقليل الركيزة (على سبيل المثال ، عمليات التخمير). اللاهوائية الاختيارية (غير صارمة) في وجود الأكسجين تستخدمها في عمليات الأكسدة (للتنفس) ، وفي حالة عدم وجودها ، فإنها تتلقى الطاقة دون مشاركة الأكسجين (الخميرة).
تتكون عمليات الأكسدة في اللاهوائية في إزالة الهيدروجين من المركب المؤكسد (نزع الهيدروجين). يرتبط الهيدروجين بمواد أخرى (متقبلات الهيدروجين). تسمى عملية التنفس الخالي من الأكسجين التخمير.المواد النشطة للتخمير هي مواد ذات إمداد كبير من الطاقة.
وهكذا ، تستهلك الخلية العناصر الغذائية في اتجاهين: لتخليق مواد الجسم ولتزويد الجسم بالطاقة. ترتبط عمليات التغذية والتنفس ارتباطًا وثيقًا وتنفذها الخلية في نفس الوقت. أنها توفر جميع الوظائف الحيوية للخلية. يتم إطلاق منتجات التمثيل الغذائي المتكونة في هذه العملية من الخلية إلى البيئة الخارجية. يظهر التمثيل الغذائي في الرسم البياني 1 أدناه.
مخطط 1. التمثيل الغذائي في الكائنات الحية الدقيقة.
وفقًا لنوع التغذية ، تنقسم الميكروبات إلى مجموعتين: ذاتية التغذية وغيرية التغذية.
التغذية التلقائية- الكائنات الحية الدقيقة التي تصنع مواد أجسامها من عناصر غير عضوية. يمكن أن تكون مسارات هذا التوليف مختلفة. بعض الكائنات الحية الدقيقة ، على سبيل المثال ، بكتيريا الكبريت الأرجواني ، مثل النباتات الخضراء ، تستخدم التمثيل الضوئي ، لكن هناك مواد أخرى تلعب دور الكلوروفيل فيها. يتم الحصول على الطاقة الأخرى لهذه العمليات الاصطناعية من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال. في هذه الحالة ، تعمل المواد غير العضوية كمانحين للإلكترون ، وثاني أكسيد الكربون هو مصدر الكربون.
مغاير التغذية- هذه هي الكائنات الحية الدقيقة التي تحتاج إلى مركبات عضوية جاهزة ، باستخدام الكربوهيدرات والكحوليات والأحماض العضوية كمصادر للكربون ، والبروتينات ومنتجاتها المتحللة كمصادر للنيتروجين. الغالبية العظمى من البكتيريا والخمائر والعفن هي كائنات غيرية التغذية.
التمثيل الغذائي(التمثيل الغذائي) من البكتيريا مجموعاثنان متعارضان مترابطان عمليات الهدم والابتناء.
الهدم(تبديد) - اضمحلال الموادفي عملية التفاعلات الأنزيمية وتراكم الطاقة المنبعثة خلال ذلك في جزيئات ATP.
بناء(استيعاب) - تخليق الموادمع استهلاك الطاقة.
ميزات التمثيل الغذائي في البكتيريا هي أن:
شدته كافية مستوى عال، والذي ربما يرجع إلى نسبة السطح إلى كتلة الوحدة أكبر بكثير من تلك الموجودة في الكائنات متعددة الخلايا ؛
العمليات تبديدتسود على العمليات الاستيعاب.
طيف الركيزةالمواد التي تستهلكها البكتيريا واسعة جدًا - من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والنتريت والنترات إلى المركبات العضوية ، بما في ذلك المواد البشرية المنشأ - الملوثات البيئية (وبالتالي ضمان عمليات التنقية الذاتية) ؛
البكتيريا لديها جدا مجموعة واسعة من الإنزيمات المختلفة- يساهم أيضًا في الكثافة العالية لعمليات التمثيل الغذائي واتساع نطاق الركيزة.
الانزيمات البكتيريةحسب الترجمة وتنقسم إلى مجموعتين:
exozymes- الإنزيمات البكتيرية التي يتم إطلاقها في البيئة الخارجية وتعمل على الركيزة خارج الخلية (على سبيل المثال ، البروتياز ، السكريات ، قليل السكريات) ؛
الانزيمات الداخلية- إنزيمات بكتيرية تعمل على ركائز داخل الخلية (على سبيل المثال ، الإنزيمات التي تكسر الأحماض الأمينية ، السكريات الأحادية ، التركيبات).
تخليق الانزيموراثيا ، ولكن اللوائحتركيبها من خلال التعليقات المباشرة، أي يتم قمعها بالنسبة للبعض ، وبالنسبة للآخرين يتم تحفيزها بواسطة الركيزة. الإنزيمات ، التي يعتمد تركيبها على توافر الركيزة المناسبةفي البيئة (على سبيل المثال ، بيتا جالاكتوزيداز ، بيتا لاكتاماز) تسمى محرض .
مجموعة أخرى من الإنزيمات التي لا يعتمد تركيبها على وجود الركيزةفي بيئة تسمى التأسيسي (على سبيل المثال ، إنزيمات تحلل السكر). يتم تركيبها دائمًا ، ودائمًا ما تكون موجودة في الخلايا الميكروبية بتركيزات معينة.
دراسة التمثيل الغذائي للبكتيريا باستخدام الأساليب الفيزيائية والكيميائية الحيويةالبحث في عملية استنبات البكتيريا في ظل ظروف معينة على وسط مغذي خاص يحتوي على مركب أو آخر كركيزة للتحول. هذا النهج يجعل من الممكن الحكم على التمثيل الغذائي من خلال دراسة أكثر تفصيلا لعمليات أنواع مختلفة من التمثيل الغذائي (البروتينات والكربوهيدرات) في الكائنات الحية الدقيقة.
السؤال 5. ملامح التمثيل الغذائي للبروتين والكربوهيدرات في البكتيريا
استقلاب البروتين
استقلاب البروتينفي البكتيريا - هذا ، من ناحية ، - عملية تخليق الأحماض الأمينية والبروتينات الخاصةمن خلال استيعاب المكونات الضرورية من البيئة الخارجية ، ومن ناحية أخرى - انهيار البروتين خارج الخليةتحت تأثير الانزيمات المختلفة. إذا حدث انهيار البروتين تحت ظروف لاهوائية، ثم تسمى هذه العملية تعفن وإذا سارت الأمور في الظروف الهوائية - مكمور.
في حالة وجود البروتياز في البكتيريا ، يتم تشطر البروتينات بواسطتها إلى منتجات تسوس وسيطة - بيبتون ، وفي وجود الببتيدات في البكتيريا ، تنقسم الببتونات بواسطتها إلى الأحماض الأمينية ومنتجاتها المتحللة (الأمونيا ، كبريتيد الهيدروجين ، الإندول). بروتين(القدرة على تكسير البروتينات) و هضم(القدرة على تحطيم الببتونات) لا يتم التعبير عن خصائصها في جميع البكتيريا ، لذلك فإن دراستها بالاقتران مع الخصائص الأنزيمية الأخرى تساعد في تحديد البكتيريا.
التمثيل الغذائي للكربوهيدرات
التمثيل الغذائي للكربوهيدراتفي البكتيريا هو أيضا ذو شقين - إنه كذلك عملية تخليق وتحطيم الكربوهيدرات... تكسير الكربوهيدرات بالبكتيريا (خصائص حال السكريات) تحت الظروف الهوائية مع تكوين ثاني أكسيد الكربون ويسمى الماء احتراق ، أ ينقسمعن طريقهم الكربوهيدرات تحت الظروف اللاهوائية - التخمير.
اعتمادا على طبيعة المنتجات النهائية من تحلل الكربوهيدرات في الظروف اللاهوائية التخمر مميز:
الكحول ،
حمض اللاكتيك،
حمض البروبيونيك،
حمض الفورميك
حمض البيوتيريك،
حمض الاسيتيك.
لا يشارك الأكسجين الجزيئي في عمليات التخمير. معظم البكتيريا المخمرة تلزم اللاهوائية... ومع ذلك ، فإن البعض منهم - اللاهوائية الاختيارية، قادرون على إجراء عملية التخمير في وجود الأكسجين ، ولكن بدون مشاركته. علاوة على ذلك ، يمنع هذا الأكسجين عملية التخمير. ويتم استبداله بالاحتراق (التنفس - المتقبل النهائي للهيدروجين - الأكسجين). تم تسمية هذا التأثير تأثير باستور وهو واحد من أمثلة كلاسيكية للتغير في التمثيل الغذائي للبكتيريا حسب الظروف البيئية.
يُفهم الأيض (من المستقلب اليوناني - التغيير ، التحول) على أنه مجموعة من التفاعلات الكيميائية الحيوية وتحولات المواد التي تحدث في خلية ميكروبية ، تهدف إلى الحصول على الطاقة واستخدامها بشكل أكبر في تخليق المواد العضوية.
مصطلح "التمثيل الغذائي" يجمع بين عمليتين مترابطتين ولكن متعاكستين - الابتنائية والتقويض. إنها متأصلة في جميع الكائنات الحية وهي السمات الرئيسية للكائنات الحية.
بناء(التغذية ، الاستيعاب ، التمثيل الغذائي البناء ، أو البناء ، التمثيل الغذائي) يتم تقليله إلى الاستيعاب ، أي إلى استخدام العناصر الغذائية من قبل الكائنات الحية الدقيقة من البيئة الخارجية من أجل التخليق الحيوي لمكونات (المواد) من أجسامهم. يتم تحقيق ذلك في كثير من الأحيان عن طريق تقليل التفاعلات الماصة للحرارة ، لتدفق الطاقة المطلوبة.
الهدم(التنفس ، التبديد ، الأكسدة البيولوجية) يتميز بتقسيم (أكسدة) المواد العضوية المعقدة إلى منتجات أبسط مع إطلاق الطاقة الموجودة فيها ، والتي تستخدمها الكائنات الحية الدقيقة لتخليق المواد في خلية معينة. يسمى هذا التبادل أيضًا تبادل الطاقة.
في معظم الحالات ، يتم استخدام نفس المادة في كل من الاستيعاب والتفكك. الاستثناء هو الكربوهيدرات ، التي تخضع للانهيار ولا تشارك في التمثيل الغذائي البناء.
يتميز التمثيل الغذائي في الكائنات الحية الدقيقة بالاستهلاك المكثف للمغذيات. لذلك ، في ظل ظروف مواتية خلال النهار ، تستوعب خلية بكتيرية واحدة مواد تزيد بمقدار 30-40 مرة عن كتلتها.
تشارك مواد كيميائية مختلفة في عملية التمثيل الغذائي. بناءً على ذلك ، يتم تمييز التمثيل الغذائي للبروتين والكربوهيدرات والدهون والماء والملح.
استقلاب البروتين.يحدث تكسير البروتين في البداية للتضخم تحت تأثير إنزيمات exoprotease. في وقت لاحق ، يتم تقسيم البيبتون تحت تأثير endoproteases إلى الأحماض الأمينية التي تدخل الخلية. هنا ، يمكن أن تخضع الأحماض الأمينية لنزع الأمين ونزع الكربوكسيل.
نتيجة نزع الأمين ، تتكون الأمونيا ، أحماض كيتو أو أحماض الهيدروكسي والكحول ومواد أخرى.
يحدث نزع الكربوكسيل من الأحماض الأمينية أثناء تطور البكتيريا المتعفنة مع تكوين منتجات سامة من "السموم الجثثية". عندما يتم نزع الكربوكسيل من الهيستيدين ، يتشكل الهيستامين ، أورنيثين - بوتريسين ، ليسين - كادافيرين ، تيروسين - تيرامين. تنتج بعض الميكروبات إنزيم التربتوفاناز ، والذي يتفكك تحت تأثيره الحمض الأميني التربتوفان ليشكل إندول. يستخدم وجود تكوين الإندول في تحديد الكائنات الحية الدقيقة.
جنبا إلى جنب مع تفاعلات انقسام البروتين ، تحدث أيضًا عمليات تركيبها. تستخدم البكتيريا الأحماض الأمينية لبناء البروتينات. تلبي الخلايا البكتيرية احتياجاتها من الأحماض الأمينية بطريقتين: بعض الكائنات الحية الدقيقة تحصل على الأحماض الأمينية عن طريق تكسير البروتين ، بينما يصنعها البعض الآخر من مركبات النيتروجين البسيطة. من الخصائص المهمة للميكروبات القدرة على تصنيع الأحماض الأمينية الأساسية (ميثيونين ، تريبتوفان ، ليسين). يحدث تخليق البروتين في ريبوسومات الخلية.
يرتبط استقلاب البروتين ارتباطًا وثيقًا بعملية التمثيل الغذائي للكربوهيدرات. لبناء مركبات البروتين ، يستخدم حمض البيروفيك ، والأحماض ثنائية الكربوكسيل هي وسطاء نشطون في التخليق الحيوي للأحماض الأمينية.
التمثيل الغذائي للكربوهيدرات.يتم تكسير الكربوهيدرات بواسطة الإنزيمات لتكوين الجلوكوز والمالتوز. تحت تأثير إنزيمات المالتاز ، والسكريات ، واللاكتاز ، والسكريات التي تدخل الخلية البكتيرية تخضع للتحلل المائي والتحلل إلى السكريات الأحادية ، والتي يتم تخميرها بعد ذلك مع انقطاع في سلسلة جزيئات الكربوهيدرات وإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.
يترافق تكسير الكربوهيدرات بواسطة الميكروبات بتكوين أحماض عضوية ، والتي يمكن أن تتحلل إلى المنتجات النهائية - CCb و H2O.
يحدث تخليق الكربوهيدرات في الكائنات الحية الدقيقة ضوئيًا وكيميائيًا. في عملية التمثيل الضوئي ، تقوم البكتيريا الخضراء والأرجوانية المحتوية على أصباغ من نوع الكلوروفيل بتخليق الجلوكوز من ثاني أكسيد الكربون في الهواء. في هذه الحالة ، يتطلب تدفق تفاعلات التخليق غير الحراري طاقة الضوء.
تختلف عملية التمثيل الضوئي في البكتيريا (بدائيات النوى) عن عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء (حقيقيات النوى). في النباتات ، أثناء التحلل الضوئي ، يعمل الماء كمانح للهيدروجين ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الأكسجين الجزيئي.
في بدائيات النوى ، باستثناء الطحالب الخضراء المزرقة ، فإن المانحين للهيدروجين هم H2S و H2 والمركبات العضوية والمعدنية الأخرى ؛ لذلك ، لا يتشكل الأكسجين نتيجة تفاعل التمثيل الضوئي. الصباغ الرئيسي لعملية التمثيل الضوئي في البكتيريا هو جرثومي كلوروفيل ، في النباتات الخضراء - الكلوروفيل ، الموجود في البلاستيدات الخضراء ، كل منها يعادل خلية بدائية النواة. تفتقر البكتيريا إلى البلاستيدات الخضراء.
يتم إجراء التخليق الكيميائي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة التي تصنع الكربوهيدرات من الجلوكوز ، والتي تتشكل مبدئيًا نتيجة لتفاعلات السكريات ، أي انهيار السكريات المعقدة. بالنسبة للتركيب الكيميائي ، يتم استخدام الطاقة الكيميائية ، التي يتم إطلاقها أثناء تكسير حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (ATP) ، أي طاقة التفاعلات الكيميائية.
يشمل التمثيل الغذائي للدهون عمليات التحلل المائي للدهون ، وامتصاص الأحماض الدهنية وأحادي الجليسريد ، والتخليق الحيوي للدهون المحددة ، وتفككها وإطلاق نواتج الانحلال النهائي.
تستقلب معظم أنواع البكتيريا الدهون على شكل جلسرين ، والذي يعمل كمصدر للطاقة. تستخدمه الكائنات الحية الدقيقة أيضًا لتخليق الدهون ، والتي تكون في شكل شوائب مغذيات احتياطية (مادة مغذية).
يتم تنفيذ العمليات الرئيسية لاستقلاب الدهون بمساعدة الليباز والأنزيمات المحللة للدهون الأخرى المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالسيتوبلازم الخلوي.
يشمل استقلاب الماء والملح امتصاص وإطلاق الماء والأملاح المعدنية ، وكذلك التحولات التي تحدث معها.
فقط عدد قليل من عناصر D.I. منديليف مطلوب من قبل الكائنات الحية الدقيقة بتركيزات عالية نسبيًا - هذه هي عشرة عناصر بيولوجية رئيسية (عناصر كبيرة): C ، O ، H ، N ، S ، P ، K ، Mg ، Ca ، Fe. المكونات الرئيسية للمركبات العضوية هي العناصر الأربعة الأولى - الكائنات العضوية.
الكبريت مطلوب لتخليق الأحماض الأمينية السيستين والميثيونين وبعض الإنزيمات. الفوسفور جزء من الأحماض النووية ، الفوسفوليبيدات ، أحماض تيشويك ، والعديد من النيوكليوتيدات. العناصر الأربعة الأخرى هي أيونات المعادن المستخدمة كعوامل مساعدة للإنزيمات ، وكذلك مكونات المركبات المعدنية.
بالإضافة إلى العناصر الرئيسية المدرجة ، تتطلب الكائنات الحية الدقيقة عشرة عناصر دقيقة أخرى: Zn ، Mn ، Na ، CI ، Mo ، Se ، Co ، Cu ، W ، Ni ، والتي تشارك في تخليق الإنزيمات وتنشيطها.
تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتجميع البروتينات والبروتينات النووية ومجمعات البروتين الجلوكيدوليبيد والأحماض النووية والإنزيمات والفيتامينات وما إلى ذلك من العناصر المختلفة ومركباتها.
حاشية. ملاحظة
مقدمة
1. المفاهيم العامة لعملية التمثيل الغذائي والطاقة
2. التمثيل الغذائي البناء
3. الحاجة إلى بدائيات النوى في العناصر الغذائية
3.1 مصادر الكربون
3.3 متطلبات مصادر الكبريت والفوسفور
3.4 ضرورة أيونات المعادن
3.5 الحاجة إلى عوامل النمو
4. أنواع التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة
5. التمثيل الغذائي للطاقة من phototrophs
6. استقلاب الطاقة للمواد الكيميائية باستخدام عمليات التخمير
7. استقلاب الطاقة للكيميائيات العضوية باستخدام عملية التنفس
8. التمثيل الغذائي للطاقة من chemolithoautotrophs
استنتاج
يحتوي هذا المقرر الدراسي على معلومات أساسية حول التمثيل الغذائي البناء والحيوي للبكتيريا. يتم العمل على 37 ورقة. يحتوي على 5 أشكال و 1 جدول.
تسمى مجموعة عمليات تحويل المادة في الكائن الحي ، المصحوبة بتجديدها المستمر ، التمثيل الغذائي أو التمثيل الغذائي.
أهم خصائص الكائنات الحية هي قدرتها على التكاثر وعلاقتها الوثيقة بالبيئة. لا يمكن أن يوجد أي كائن حي إلا في حالة التدفق المستمر للعناصر الغذائية من البيئة الخارجية وإطلاق منتجات النفايات فيها.
يتم تحويل العناصر الغذائية التي تمتصها الخلية إلى مكونات خلوية محددة نتيجة تفاعلات كيميائية حيوية معقدة. تسمى مجموعة العمليات الكيميائية الحيوية لامتصاص واستيعاب العناصر الغذائية وإنشاء العناصر الهيكلية للخلية على حسابها التمثيل الغذائي البناء أو التمثيل الغذائي. تسير العمليات البناءة مع امتصاص الطاقة. يتم الحصول على الطاقة اللازمة لعمليات التخليق الحيوي للوظائف الخلوية الأخرى ، مثل الحركة ، وتنظيم التناضح ، وما إلى ذلك ، بواسطة الخلية من خلال تدفق التفاعلات التأكسدية ، والتي يكون مجملها هو استقلاب الطاقة ، أو التقويض (الشكل 1).
يمكن لجميع الكائنات الحية استخدام الطاقة المرتبطة كيميائيًا فقط. كل مادة لديها كمية معينة من الطاقة الكامنة. ناقلات المواد الرئيسية هي الروابط الكيميائية ، والتي يؤدي تمزقها أو تحولها إلى إطلاق الطاقة.
مستوى الطاقة للروابط الكيميائية ليس هو نفسه. بالنسبة للبعض ، تبلغ قيمته 8-10 كيلو جول. تسمى هذه الاتصالات طبيعية. في الروابط الأخرى ، توجد طاقة أعلى بكثير - 25-40 كيلو جول. هذه هي ما يسمى بالاتصالات الماكرورجيك. تشتمل جميع المركبات المعروفة تقريبًا التي تحتوي على مثل هذه الروابط على ذرات الفوسفور والكبريت التي تشارك في تكوين هذه الروابط.
يلعب حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (ATP) أهم دور في حياة الخلية. يشتمل جزيءه على الأدينين والريبوز وثلاثة بقايا حمض الفوسفوريك: (الملحق الشكل 2)
ATP أساسي لاستقلاب الطاقة في الخلية. الروابط الكلية في جزيء ATP هشة للغاية. يؤدي التحلل المائي لهذه الروابط إلى إطلاق كمية كبيرة من الطاقة الحرة:
ATP + H20 → ADP + H3P04- 30.56 كيلوجول
يستمر التحلل المائي بمشاركة إنزيمات محددة ، مما يوفر الطاقة للعمليات الكيميائية الحيوية التي تحدث مع امتصاص الطاقة. في هذه الحالة ، يلعب ATP دور مورد الطاقة. نظرًا لحجمه الصغير ، ينتشر جزيء ATP في أجزاء مختلفة من الخلية. يتم تجديد مخزون ATP في الخلايا باستمرار بسبب تفاعلات إضافة بقايا حمض الفوسفوريك إلى جزيء حمض الأدينوزين ثنائي الفوسفوريك (ADP):
ADP + H3P04 → ATP + H20
يستمر تخليق ATP ، مثل التحلل المائي ، بمشاركة الإنزيمات ، ولكنه مصحوب بامتصاص الطاقة ، ويمكن تقليل طرق الحصول على الكائنات الحية الدقيقة ، على الرغم من تنوعها ، إلى نوعين:
1) استخدام الطاقة الضوئية ؛
2) استخدام طاقة التفاعلات الكيميائية.
في هذه الحالة ، يتم تحويل كلا النوعين من الطاقة إلى طاقة الروابط الكيميائية لـ ATP. وهكذا ، يعمل ATP كمحول في الخلية.
ترتبط عملية الابتنائية والتقويض ارتباطًا وثيقًا ، وتشكل كلًا واحدًا ، نظرًا لاستخدام منتجات استقلاب الطاقة (ATP وبعض المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض) بشكل مباشر في التمثيل الغذائي للخلايا البناءة (الشكل 6.1).
في خلايا الكائنات الحية الدقيقة ، تعتمد العلاقة بين الطاقة والعمليات البناءة على عدد من الظروف المحددة ، لا سيما على طبيعة العناصر الغذائية. ومع ذلك ، من حيث الحجم ، عادة ما تكون التفاعلات التقويضية أفضل من عمليات التخليق الحيوي. يتجلى الترابط والاقتران بين هذين النوعين من التمثيل الغذائي بشكل أساسي في حقيقة أن الحجم الإجمالي للعمليات البناءة يعتمد تمامًا على كمية الطاقة المتاحة التي يتم تلقيها في سياق استقلاب الطاقة.
يهدف التمثيل الغذائي البناء إلى تخليق أربعة أنواع رئيسية من البوليمرات الحيوية: البروتينات والأحماض النووية والسكريات المتعددة والدهون.
يوجد أدناه مخطط تخطيطي معمم للتخليق الحيوي للمركبات العضوية المعقدة ، حيث يتم تسليط الضوء على المراحل الرئيسية التالية: تكوين السلائف العضوية من أبسط المواد غير العضوية (I) ، والتي يتم تصنيع "اللبنات الأساسية" (II) منها في المرحلة التالية المسرح. بعد ذلك ، تشكل لبنات البناء ، التي ترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية ، بوليمرات حيوية (III): التطبيقات (الشكل رقم 3)
لا يعكس المخطط المقدم لعمليات التخليق الحيوي التعقيد الكامل لتحويل السلائف ذات الوزن الجزيئي المنخفض إلى كتل بناء ذات وزن جزيئي كبير. في الواقع ، يستمر التوليف كسلسلة من التفاعلات المتتالية مع تكوين العديد من المنتجات الأيضية الوسيطة. بالإضافة إلى ذلك ، تختلف مستويات تطوير قدرات التخليق الحيوي للكائنات الحية الدقيقة اختلافًا كبيرًا. في بعض الميكروبات ، يشمل التمثيل الغذائي البناء جميع المراحل الموضحة في الرسم البياني ، وفي حالات أخرى يقتصر على المرحلة الثانية والثالثة أو المرحلة الثالثة فقط. هذا هو السبب في أن الكائنات الحية الدقيقة تختلف بشكل حاد عن بعضها البعض في احتياجاتها الغذائية. ومع ذلك ، فإن التركيب الأولي للغذاء هو نفسه لجميع الكائنات الحية ويجب أن يشمل جميع المكونات التي تتكون منها المادة الخلوية: الكربون ، والنيتروجين ، والهيدروجين ، والأكسجين ، إلخ.
اعتمادًا على مصادر الكربون المستخدمة في التبادل البناء ، يتم تقسيم الكائنات الحية الدقيقة إلى مجموعتين: ذاتية التغذية وغيرية التغذية.
تستخدم Autotrophs (من "السيارات" اليونانية - نفسها ، "التروبي" - الغذاء) ثاني أكسيد الكربون كمصدر وحيد للكربون ومن هذا المركب السلائف غير العضوي البسيط يقومون بتجميع جميع البوليمرات الحيوية الضرورية. تتمتع Autotrophs بأعلى قدرة على التخليق الحيوي.
الكائنات غيرية التغذية (من اليونانية "مغاير" - أخرى) تحتاج إلى مصادر الكربون العضوية. احتياجاتهم الغذائية متنوعة للغاية. يتغذى بعضها على نفايات الكائنات الحية الأخرى أو استخدام الأنسجة النباتية والحيوانية الميتة. تسمى هذه الكائنات الحية الدقيقة بالنباتات الرخامية (من اليونانية "سابروس" - فاسدة و "فيتون" - نبات). عدد المركبات العضوية التي يستخدمونها كمصادر للكربون كبير للغاية - وهذه هي الكربوهيدرات والكحوليات والأحماض العضوية والأحماض الأمينية وما إلى ذلك. تقريبًا يمكن استخدام أي مركب طبيعي بواسطة نوع أو آخر من الكائنات الحية الدقيقة كمصدر للتغذية أو الطاقة.
لتخليق البروتينات الخلوية ، تحتاج الكائنات الحية الدقيقة إلى النيتروجين. فيما يتعلق بمصادر تغذية النيتروجين بين الكائنات الحية الدقيقة ، يمكن التمييز بين المواد الغذائية الذاتية والتغذية غير المتجانسة. الأول قادر على استخدام النيتروجين غير العضوي (الأمونيوم ، النترات ، الجزيئي) أو أبسط أشكال العضوية (اليوريا) ومن هذه المركبات تبني مجموعة متنوعة من البروتينات في الجسم. في هذه الحالة ، يتم تحويل جميع أشكال النيتروجين أولاً إلى شكل الأمونيوم. يتحول هذا الشكل الأكثر انخفاضًا من النيتروجين بسهولة إلى مجموعة أمينية. تحتاج الأحماض الأمينية المتغايرة إلى أشكال عضوية من النيتروجين - البروتينات والأحماض الأمينية. بعضها يتطلب مجموعة كاملة من الأحماض الأمينية ، والبعض الآخر ينتج مركبات البروتين الضرورية من واحد أو اثنين من الأحماض الأمينية عن طريق تحويلها.
العديد من الكائنات الحية الدقيقة غيرية التغذية فيما يتعلق بالكربون هي ذاتية التغذية. وتشمل هذه البكتيريا المشاركة في معالجة مياه الصرف الصحي.
يتم تلبية الحاجة إلى الأكسجين والهيدروجين من أجل التمثيل الغذائي البناء من قبل الكائنات الحية الدقيقة على حساب الماء والمغذيات العضوية. مصادر عناصر الرماد (P ، S ، K ، Mg ، Fe) هي الأملاح المعدنية المقابلة. الحاجة إلى هذه العناصر صغيرة ، لكن الوجود في البيئة إلزامي. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر العناصر الدقيقة - الزنك ، والكوبالت ، والنحاس ، والنيكل ، وما إلى ذلك ضرورية لعمل الميكروبات بشكل طبيعي. جزء منها جزء من التغذية الطبيعية للميكروبات ، ويتم امتصاص جزء منها من الأملاح المعدنية.
طرق الحصول على الغذاء ، أي طرق تغذية الكائنات الحية الدقيقة ، متنوعة للغاية. هناك ثلاث طرق رئيسية للتغذية: الكوليوفيت ، السابروزويك ، والهولوزويك.
التغذية Holophytic (من اليونانية "holo" - ككل ، "fit" - نبات) تحدث وفقًا لنوع التمثيل الضوئي للنباتات. هذه التغذية متأصلة فقط في ذاتية التغذية. من بين الكائنات الحية الدقيقة ، تتميز هذه الطريقة بالطحالب والأشكال الملونة من الجلد وبعض البكتيريا.
تعد حياة جسم الإنسان ظاهرة معقدة للغاية وفريدة من نوعها ، ومع ذلك ، فإن لديها مثل هذه الآليات التي تدعم وجودها وفي نفس الوقت يمكن تفكيكها وصولاً إلى أبسط المكونات التي يمكن للجميع الوصول إليها. هنا ، أولاً وقبل كل شيء ، من الضروري أن نقول عن عملية التمثيل الغذائي للبكتيريا ، والتي هي معقدة فقط بشروط ، في الواقع ، مثل عملية التمثيل الغذائي للبكتيريا بسيطة للغاية. للتعرف على عملية التمثيل الغذائي للكائنات الدقيقة بالتفصيل ، يساعد علم الأحياء الدقيقة. تساعد العمليات قيد الدراسة على تشكيل أشكال جديدة من العلاج لمجموعة متنوعة من الأمراض.
إذا تحدثنا عن الصورة العامة للعملية البكتيرية الأيضية ، فإننا نتحدث عن دورة تفاعل معينة ، وفي بعض التفاعلات تكون المهمة هي تزويد جسم الإنسان بالطاقة ، أما بالنسبة للآخرين ، فهي طرق لتجديد الجسم. مع المادة ، أي في الواقع ، هم نوع من مواد البناء ... إذا تحدثنا عن عملية التمثيل الغذائي للخلايا البكتيرية ، فمن المستحيل العثور على اختلافات عن المبادئ البيولوجية للنوع العام. البكتيريا هي أساس الآلية المؤقتة لعملية حياة الخلايا الحية.
هناك نوعان من هذه العملية تعتمدان على المنتجات الأيضية:
تحدث معظم العمليات الأيضية في خلية من النوع بدائية النواة ، وهذه العملية ذات طبيعة لمرة واحدة ، كل هذا له شكل دورة مغلقة من النوع. عندما تحدث عملية التمثيل الغذائي ، تبدأ المنتجات في التكوين ، والتي تكون مصحوبة بهياكل من النوع الخلوي ، ثم يبدأ تفاعل حيوي حيوي ، تشارك فيه إنزيمات معينة ، وتنفذ عملية تخليق طبيعة نشطة. هذه الأنواع من التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة ليست هي الوحيدة ، فهناك أنواع أخرى.
يشير استقلاب الكائنات الحية الدقيقة إلى الركيزة ، وهنا نتحدث عن عدة مراحل:
ترجع جميع ميزات هذه العملية إلى حقيقة أن هناك نوعين من الإنزيمات (نحن نتحدث عن جزيئات بروتينية يمكنها تسريع التفاعلات في البنية الخلوية:
تجدر الإشارة إلى أن هناك عددًا من الإنزيمات التي يتم إنتاجها بواسطة البنية الخلوية على أساس مستمر (الطبيعة التأسيسية) ، وهناك تلك التي تنتج في شكل تفاعل عند ظهور ركيزة معينة.
تتم هذه العملية في البكتيريا بواسطة طرق معينة من النوع البيولوجي:
إذا تحدثنا عن كيفية تنفس البكتيريا بطريقة التغذية الكيميائية ، فيمكن أن يكون هناك 3 طرق:
وتجدر الإشارة إلى أن النمو هو عملية يزداد فيها الفرد في الحجم ، أما بالنسبة لعملية التكاثر نفسها ، فهذا هو الوقت الذي يبدأ فيه السكان في الزيادة.
من الجدير بالذكر أن البكتيريا قادرة على التكاثر بطريقة يتم فيها التقسيم الثنائي ببساطة ، ولكن هذه الطريقة بعيدة كل البعد عن الطريقة الوحيدة ، فهناك أيضًا تبرعم. إذا كان للبكتيريا شكل موجب الجرام ، فهناك تكوين حاجز من جدار من النوع الخلوي وغشاء من النوع السيتوبلازمي يمكن أن ينمو إلى الداخل. إذا كانت البكتيريا سالبة الجرام ، يبدأ الانقباض في التكون ، وبعد ذلك تنقسم الخلية إلى زوج من الأفراد.
سرعة عملية التكاثر جديرة بالملاحظة ؛ يمكن أن تكون مختلفة. إذا تحدثنا عن الغالبية العظمى من البكتيريا ، فإنها تنقسم كل نصف ساعة. وهناك المتفطرات السلية ، التي تكون عملية الانقسام فيها أبطأ ، يكفي أن نقول إن الانقسام الواحد قد يستغرق 18 ساعة على الأقل. لا تنقسم اللولبيات أيضًا بسرعة ، حوالي 10 ساعات ، لذلك يمكنك أن ترى كيف يختلف التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة.
إذا زرعت البكتيريا في وسط مغذي سائل ، وأخذت حجمًا معينًا ، ثم أخذت عينة كل ساعة ، فإن نمو البكتيريا يكون على شكل خط منحني.
تنمو هذه المواد في عدة مراحل:
في الختام ، تجدر الإشارة إلى أن التمثيل الغذائي لجميع البكتيريا والميكروبات قد يكون لها اختلافات معينة ، وقد يكون هناك مجموعة متنوعة من العوامل. الخصائص الفردية لجسم الإنسان لها أهمية كبيرة. وبالنسبة لعملية مثل تنظيم التمثيل الغذائي ، فقد بدأوا بدراستها حتى في بدائيات النوى ، وتحديداً في بدائيات النوى (هذه هي عوامل العصا المعوية).
حتى الآن ، هناك طرق مختلفة للدراسة. إذا تمت دراسة بكتيريا الكبريت ، فإن الدراسة لها خصائصها الخاصة ، ويمكن استخدام طرق أخرى لدراسة التغيرات البكتيرية. تستحق بكتيريا الحديد ، التي تتمتع بخاصية فريدة تتمثل في أكسدة الحديد ، اهتمامًا خاصًا.
