Kapitola 8. Úvod do metabolismu Metabolismus neboli metabolismus je soubor chemických reakcí v těle, které mu dodávají látky a energii nezbytné pro život. Metabolický proces, který je doprovázen tvorbou jednodušších

Metabolismus fruktózy Značné množství fruktózy, která vzniká při rozkladu sacharózy, se přeměňuje na glukózu již ve střevních buňkách před vstupem do systému portální žíly. Další část fruktózy se vstřebává pomocí nosného proteinu, tzn. přes

Metabolismus galaktózy Galaktóza se tvoří ve střevě jako výsledek hydrolýzy laktózy.Narušení metabolismu galaktózy se projevuje dědičným onemocněním - galaktosémií. Je důsledkem vrozené vady enzymu

Metabolismus laktózy Laktóza, disacharid nacházející se pouze v mléce, se skládá z galaktózy a glukózy. Laktóza je syntetizována pouze sekrečními buňkami žláz savců během laktace. V mléce je přítomen v množství 2 % až 6 %, podle druhu.

Kapitola 22 Biochemie aterosklerózy Cholesterol je steroid vyskytující se pouze v živočišných organismech. Hlavním místem jeho tvorby v lidském těle jsou játra, kde se 50 % cholesterolu syntetizuje, 15-20 % se tvoří v tenkém střevě, zbytek

Kapitola 25. Metabolismus jednotlivých aminokyselin Metabolismus methioninu Methionin je esenciální aminokyselina. Methylová skupina methioninu je mobilní jednouhlíkový fragment používaný pro syntézu řady sloučenin. Přenos methionin methylové skupiny na odpovídající

Metabolismus methioninu Methionin je esenciální aminokyselina. Methylová skupina methioninu je mobilní jednouhlíkový fragment používaný pro syntézu řady sloučenin. Přenos methylové skupiny methioninu na příslušný akceptor se nazývá transmethylace,

Metabolismus fenylalaninu a tyrosinu Fenylalanin je esenciální aminokyselina, protože jeho benzenový kruh není syntetizován v živočišných buňkách. Metabolismus methioninu se provádí dvěma způsoby: je součástí bílkovin nebo se přeměňuje na tyrosin působením specifického

Bakteriální růst je zvětšení velikosti bakteriální buňky bez zvýšení počtu jedinců v populaci.

Rozmnožování bakterií je proces, který zajišťuje nárůst počtu jedinců v populaci. Bakterie se vyznačují vysokou rychlostí množení.

Růst vždy předchází reprodukci. Bakterie se rozmnožují příčným binárním štěpením, kdy z jedné mateřské buňky vznikají dvě stejné dceřiné buňky.

Proces dělení bakteriálních buněk začíná replikací chromozomální DNA. V místě připojení chromozomu k cytoplazmatické membráně (bod replikátoru) působí iniciační protein, který způsobí prasknutí prstence chromozomu a následně despiralizaci jeho závitů. Vlákna se rozvinou a druhé vlákno se připojí k cytoplazmatické membráně v bodě proreplikátoru, který je diametrálně odlišný od bodu replikátoru. Díky DNA polymerázám je v matrici každého vlákna dokončena jeho přesná kopie. Zdvojnásobení genetického materiálu je signálem pro zdvojnásobení počtu organel. V septálních mezosomech se buduje přepážka, která rozděluje buňku na polovinu.

Dvouřetězcová DNA se spirálovitě stáčí do prstence v místě připojení k cytoplazmatické membráně. To je signál pro divergenci buněk podél septa. Vzniknou dva dceřiné jedince.

Na hustých živných půdách tvoří bakterie shluky buněk - kolonie, různé velikosti, tvaru, povrchu, barvy atd. Na tekutých živných půdách je bakteriální růst charakterizován tvorbou filmu na povrchu živné půdy, rovnoměrným zákalem popř. usazenina.

Rozmnožování bakterií je dáno dobou vzniku. Toto je období, během kterého probíhá buněčné dělení. Délka generování závisí na druhu bakterií, stáří, složení živného média, teplotě atd.

Fáze reprodukce bakteriální buňky na tekutém živném médiu:

1) počáteční stacionární fáze; počet bakterií, které se dostaly do živného média a jsou v něm;

2) fáze zpoždění (fáze klidu); trvání - 3-4 hodiny, bakterie se adaptují na živné médium, začíná aktivní růst buněk, ale zatím nedochází k aktivní reprodukci; v této době se zvyšuje množství proteinu, RNA;

3) fáze logaritmického násobení; procesy buněčné reprodukce v populaci aktivně probíhají, reprodukce převažuje nad smrtí;

4) maximální stacionární fáze; bakterie dosahují maximální koncentrace, tj. maximálního počtu životaschopných jedinců v populaci; počet mrtvých bakterií se rovná počtu vytvořených; nedochází k dalšímu nárůstu počtu jedinců;

5) fáze zrychlené smrti; procesy smrti převažují nad procesem reprodukce, protože živné substráty v prostředí jsou vyčerpány. Hromadit toxické produkty, produkty metabolismu. Této fázi se lze vyhnout použitím metody průtokové kultury: z živného média jsou neustále odstraňovány produkty metabolismu a doplňovány živiny.

Výživa je chápána jako procesy vstupu a odvodu živin do buňky a z buňky. Výživa zajišťuje především reprodukci a metabolismus buňky.

Mezi nezbytnými živinami se rozlišují organogeny - jedná se o osm chemických prvků, jejichž koncentrace v bakteriální buňce přesahuje 10-4 mol. Patří sem uhlík, kyslík, vodík, dusík, fosfor, draslík, hořčík, vápník.

Kromě organogenů jsou potřeba stopové prvky. Poskytují enzymatickou aktivitu. Jedná se o zinek, mangan, molybden, kobalt, měď, nikl, wolfram, sodík, chlór.

Bakterie mají různé zdroje pro získávání živin.

V závislosti na zdroji produkce uhlíku se bakterie dělí na:

1) autotrofy (využít anorganické látky - CO2);

2) heterotrofy;

3) metatrofy (využívají organickou hmotu neživé přírody);

4) paratrofy (využívají organické látky volně žijících živočichů).

Výživové procesy musí zajistit energetické potřeby bakteriální buňky.

Podle zdrojů energie se mikroorganismy dělí na:

1) fototrofy (schopné využívat sluneční energii);

2) chemotrofy (přijímají energii prostřednictvím redoxních reakcí);

3) chemolithotrofy (používají anorganické sloučeniny);

4) chemoorganotrofy (využívají organickou hmotu).

Bakteriálními růstovými faktory jsou vitamíny, aminokyseliny, purinové a pyrimidinové báze, jejichž přítomnost urychluje růst.

Mezi bakterie patří:

1) prototrofové (jsou schopni sami syntetizovat potřebné látky z málo organizovaných);

2) auxotrofy (jsou to mutanti prototrofů, kteří ztratili geny; jsou zodpovědní za syntézu určitých látek - vitamínů, aminokyselin, proto tyto látky potřebují v hotové formě).

Mikroorganismy asimilují živiny ve formě malých molekul, proto mohou proteiny, polysacharidy a další biopolymery sloužit jako zdroje potravy až poté, co jsou exoenzymy rozloženy na jednodušší sloučeniny.

Metabolity a ionty vstupují do mikrobiální buňky různými cestami.

Způsoby vstupu metabolitů a iontů do mikrobiální buňky.

1. Pasivní doprava (bez nákladů na energii):

1) jednoduchá difúze;

2) usnadněná difúze (podél koncentračního gradientu, s pomocí nosných proteinů).

2. Aktivní transport (s vynaložením energie, proti koncentračnímu gradientu; v tomto případě substrát interaguje s nosným proteinem na povrchu cytoplazmatické membrány).

Existují modifikované varianty aktivního transportu - přenos chemických skupin. Fosforylované enzymy působí jako nosné proteiny, takže substrát je přenášen ve fosforylované formě. Tento přenos chemické skupiny se nazývá translokace.

Vlastnosti metabolismu u bakterií:

1) rozmanitost použitých substrátů;

2) intenzita metabolických procesů;

4) převaha procesů rozpadu nad procesy syntézy;

5) přítomnost exo- a endoenzymů metabolismu.

V procesu metabolismu existují dva typy metabolismu:

1) plast (konstruktivní):

a) anabolismus (s náklady na energii);

b) katabolismus (s uvolněním energie);

2) energetický metabolismus (probíhá v dýchacích mesozomech):

a) dýchání

b) fermentace.

Podle akceptoru protonů a elektronů mezi bakteriemi se rozlišují aeroby, fakultativní anaeroby a obligátní anaeroby. Pro aeroby je akceptorem kyslík. Fakultativně anaeroby v kyslíkových podmínkách využívají procesu dýchání, v anoxických podmínkách - fermentace. Pro obligátní anaeroby je charakteristická pouze fermentace, za podmínek kyslíku dochází ke smrti mikroorganismu v důsledku tvorby peroxidů a dochází k otravě buněk.

V mikrobiální buňce jsou enzymy biologickými katalyzátory. Podle struktury rozlišují:

1) jednoduché enzymy (bílkoviny);

2) komplexní; sestávají z proteinových (aktivní centrum) a nebílkovinných částí; potřebné pro aktivaci enzymů.

Jsou tu také:

1) konstitutivní enzymy (jsou neustále syntetizovány bez ohledu na přítomnost substrátu);

2) indukovatelné enzymy (syntetizované pouze v přítomnosti substrátu).

Soubor enzymů v buňce je pro daný druh přísně individuální. Schopnost mikroorganismu využívat substráty prostřednictvím svého souboru enzymů určuje jeho biochemické vlastnosti.

Podle místa působení se rozlišují:

1) exoenzymy (působí mimo buňku; účastní se procesu rozpadu velkých molekul, které nemohou proniknout dovnitř bakteriální buňky; charakteristické pro grampozitivní bakterie);

2) endoenzymy (působí v buňce samotné, zajišťují syntézu a rozklad různých látek).

V závislosti na katalyzovaných chemických reakcích jsou všechny enzymy rozděleny do šesti tříd:

1) oxidoreduktázy (katalyzují redoxní reakce mezi dvěma substráty);

2) transferázy (provádějí mezimolekulární přenos chemických skupin);

3) hydrolázy (provádějí hydrolytické štěpení intramolekulárních vazeb);

4) lyázy (připojují chemické skupiny na dvě vazby a také provádějí reverzní reakce);

5) izomerázy (provádějí izomerizační procesy, zajišťují vnitřní konverzi s tvorbou různých izomerů);

6) ligázy nebo syntetázy (spojují dvě molekuly, což má za následek štěpení pyrofosfátových vazeb v molekule ATP).

Hlavní typy výměny plastů jsou:

1) protein;

2) uhlohydráty;

3) lipid;

4) nukleární.

Metabolismus bílkovin je charakterizován katabolismem a anabolismem. V procesu katabolismu bakterie působením proteáz rozkládají bílkoviny za vzniku peptidů. Aminokyseliny vznikají z peptidů působením peptidáz.

Rozklad bílkovin za aerobních podmínek se nazývá doutnání a za anaerobních podmínek rozpad.

V důsledku rozkladu aminokyselin dostává buňka amonné ionty nezbytné pro tvorbu vlastních aminokyselin. Bakteriální buňky jsou schopny syntetizovat všech 20 aminokyselin. Mezi nimi vede alanin, glutamin, asparagin. Jsou zapojeni do procesů transaminace a transaminace. V metabolismu bílkovin převažují procesy syntézy nad rozpadem, přičemž dochází ke spotřebě energie.

V metabolismu sacharidů u bakterií převažuje katabolismus nad anabolismem. Komplexní sacharidy vnějšího prostředí dokážou štěpit pouze ty bakterie, které vylučují enzymy – polysacharidázy. Polysacharidy se štěpí na disacharidy, které se působením oligosacharidáz rozkládají na monosacharidy a do buňky se může dostat pouze glukóza. Část jde na syntézu vlastních polysacharidů v buňce, další část prochází dalším štěpením, které může jít dvěma cestami: po dráze anaerobního rozkladu sacharidů - fermentace (glykolýza) a za aerobních podmínek - po dráze. spalování.

V závislosti na konečných produktech se rozlišují následující typy fermentace:

1) alkohol (typický pro houby);

2) kyselina propionová (typická pro klostridie, propionové bakterie);

3) kyselina mléčná (typická pro streptokoky);

4) máselná (typická pro sarcin);

5) butyldenglykol (typický pro bacily).

Spolu s hlavním anaerobním štěpením (glykolýza) mohou existovat pomocné cesty pro štěpení sacharidů (pentózofosfát, ketodeoxyfosfoglukonát atd.). Liší se v klíčových produktech a reakcích.

Metabolismus lipidů se provádí pomocí enzymů - lipoproteináz, lecitináz, lipáz, fosfolipáz.

Lipázy katalyzují rozklad neutrálních mastných kyselin, to znamená, že jsou zodpovědné za odštěpení těchto kyselin z glycerolu. Když jsou mastné kyseliny odbourávány, buňka ukládá energii. Konečným degradačním produktem je acetyl-CoA.

Biosyntéza lipidů je prováděna proteiny nesoucími acetyl. V tomto případě přechází acetylový zbytek na glycerofosfát za vzniku fosfatidových kyselin a ty již vstupují do chemických reakcí za vzniku esterů s alkoholy. Tyto přeměny jsou základem syntézy fosfolipidů.

Bakterie jsou schopny syntetizovat nasycené i nenasycené mastné kyseliny, ale jejich syntéza je charakteristická spíše pro aeroby, protože vyžaduje kyslík.

Nukleový metabolismus bakterií je spojen s genetickým metabolismem. Syntéza nukleových kyselin je důležitá pro proces buněčného dělení. Syntéza se provádí pomocí enzymů: restrikční enzym, DNA polymeráza, ligáza, DNA-dependentní RNA polymeráza.

Restrikční enzymy oddělují úseky DNA, odstraňují nežádoucí inzerty a ligázy zajišťují zesíťování fragmentů nukleové kyseliny. DNA polymerázy jsou zodpovědné za replikaci dceřiné DNA podél mateřské DNA. DNA-dependentní RNA polymerázy jsou zodpovědné za transkripci a stavbu RNA na templátu DNA.

Pro pochopení složitých metabolických procesů mikroorganismů je nutné vzít v úvahu chemické složení mikrobiální buňky a arzenál enzymů, které má.

Chemické složení mikrobiálních buněk.

Chemické složení mikrobiálních buněk je stejné jako u vyšších rostlin. Obsahují 75-85 % vody a 15-25 % sušiny z celkové buněčné hmoty.

Voda je nezbytnou součástí buňky – probíhají v ní chemické procesy, rozpouštějí se minerální látky a odbourávají se složité organické látky – bílkoviny, sacharidy, tuky. Pro reprodukci a růst buněk jsou nejdůležitější bílkoviny a nukleové kyseliny. Sacharidy se nacházejí ve významném množství v buňkách kvasinek a hub. Jedná se o polysacharidy – glykogen, dextrin, glukóza. V bakteriálních buňkách je málo sacharidů.

Tuky a tukům podobné látky (lipidy) se nacházejí především v povrchové vrstvě cytoplazmy. Lipidy tvoří v průměru 3–7 % sušiny buňky (u tuberkulózního bacilu – 20–40 %, u hub Endomyces – 50–60 %).

Minerály jsou v buňkách mikroorganismů obsaženy v malém množství (pouze 3-10 %), ale jejich role je velká – ovlivňují rychlost a směr chemických reakcí. Nejdůležitější z nich jsou draslík, hořčík, vápník, železo atd. Obsah bílkovin, tuků, sacharidů a minerálních látek v buňkách závisí na druhu mikroorganismu a podmínkách jeho existence.

enzymy mikrobiálních buněk.

Enzymy jsou složité organické látky, které katalyzují chemické reakce. Buňky je produkují (produkují) pro realizaci fyziologických procesů. Buňka může obsahovat mnoho enzymů (např. houba Aspergillus jich má asi 50), takže různé chemické reakce mohou probíhat současně. Nejběžnějšími enzymy produkovanými mikroorganismy jsou karbohydrázy a proteázy.

Karbohydrázy – rozkládají škrob, vlákninu a další polysacharidy za účasti vody. Patří sem amylázy (štěpí škrob na jednoduché sacharidy), maltáza (štěpí uhlohydrát maltózu), lipázu (hydrolyzuje tuky a oleje za vzniku mastných kyselin). Tyto enzymy obsahují většinu mikroorganismů.

Proteázy katalyzují rozklad proteinů a polypeptidů. Tyto enzymy produkují hnilobné bakterie, plísňové houby, aktinomycety.

Každý enzym má specifický účinek, to znamená, že může štěpit pouze určité sloučeniny. Navíc pro působení každého enzymu existují hlavní body ve vztahu k teplotě, pH a dalším podmínkám.

Metabolismus.

Každá živá buňka potřebuje neustálý přísun energie – tuto energii přijímá v procesu metabolismu. Metabolismus (metabolismus) je souhrn všech chemických reakcí probíhajících v buňce během jejího života.

Metabolismus probíhá dvěma hlavními směry.

Jednou z nich je stavební burza. Pro živou buňku je nezbytný pro biosyntetickou aktivitu, tedy pro stavbu buňky, výměnu opotřebovaných částí, růst a reprodukci. Buňka dostává potřebný stavební materiál ve formě potravy přicházející zvenčí. Živiny vstupují do mikrobiální buňky dvěma způsoby. První je osmóza (difúze) živin z vnějšího prostředí, kde je jejich koncentrace vyšší než v buňce. Hnací silou je v tomto případě rozdíl osmotického tlaku mezi buňkou a vnějším prostředím. Druhým způsobem je aktivní přenos živin do buňky pomocí speciálních enzymů. V obou případech živiny pronikají buněčnou membránou do cytoplazmy buňky. Proces výživy je nejdůležitější fyziologickou funkcí mikrobiální buňky. Podstatou procesu výživy je, že působením buněčných enzymů se vysokomolekulární organické sloučeniny štěpí na nízkomolekulární: cukry, aminokyseliny, organické kyseliny az nich se syntetizují látky samotné buňky mikroorganismu: cytoplazma, buněčná stěna, nukleové kyseliny atd.

Kromě živin pro budování biosyntetické aktivity potřebuje buňka energii. Druhou stránkou metabolismu mikroorganismů je tedy energetický metabolismus, tedy zásobování buňky energií. Mikroorganismy získávají energii oxidací organických látek (sacharidů, tuků a dalších energetických materiálů) při dýchání, což je velmi důležitá fyziologická funkce. U různých organismů probíhá proces dýchání odlišně v závislosti na jejich vztahu ke kyslíku. Aeroby tedy využívají plynný kyslík a energii získávají oxidací organické hmoty (dýcháním). To je možné díky přítomnosti v buňkách aerobů určitých enzymů - cytochromů. U anaerobů tyto enzymy chybí a proces získávání energie probíhá bez účasti kyslíku. Ve vztahu ke kyslíku se anaeroby dělí do tří skupin. Striktní anaeroby (například bakterie kyseliny máselné) nemohou v přítomnosti kyslíku vůbec žít. Energii přijímají konjugovanou oxidací – redukcí substrátu (například fermentační procesy). Fakultativní anaeroby (nikoliv striktní) ho v přítomnosti kyslíku využívají k oxidačním procesům (k dýchání), v jeho nepřítomnosti přijímají energii bez účasti kyslíku (kvasinky).

Oxidační procesy anaerobů spočívají v odstraňování vodíku z oxidované sloučeniny (dehydrogenace). Vodík spojuje další látky (akceptory vodíku). Tento proces dýchání bez kyslíku se nazývá kvašení. Energetickým materiálem pro fermentaci jsou látky s velkou zásobou energie.

Živiny jsou tedy buňkou spotřebovávány dvěma směry: pro syntézu tělesných látek a pro zásobování těla energií. Procesy výživy a dýchání spolu úzce souvisejí a buňka je provádí současně. Zajišťují všechny životně důležité funkce buňky. Vzniklé produkty látkové výměny se uvolňují z buňky do vnějšího prostředí. Metabolismus je znázorněn ve schématu 1 níže.

Schéma 1. Metabolismus v mikroorganismech.

Podle druhu výživy se mikrobi dělí na dvě skupiny: autotrofní a heterotrofní.

Autotrofy- mikroorganismy, které syntetizují látky svého těla z anorganických prvků. Cesty pro tuto syntézu mohou být různé. Některé mikroorganismy, například fialové sirné bakterie, jako zelené rostliny, využívají fotosyntézu, ale jiné látky v nich hrají roli chlorofylu. Další energie pro tyto syntetické procesy se získává v průběhu redoxních reakcí. Anorganické látky v tomto případě slouží jako donory elektronů a oxid uhličitý jako zdroj uhlíku.

Heterotrofy- jedná se o mikroorganismy, které potřebují hotové organické sloučeniny, využívající sacharidy, alkoholy a organické kyseliny jako zdroje uhlíku a bílkoviny a produkty jejich rozkladu jako zdroje dusíku. Naprostá většina bakterií, kvasinek a plísní jsou heterotrofní.

Metabolismus (metabolismus) mikroorganismů

Výživa mikrobů (konstruktivní metabolismus).

Metabolismus mikroorganismů se jako všechny živé věci skládá ze dvou vzájemně souvisejících, současně probíhajících, ale opačných procesů – anabolismu neboli konstruktivního metabolismu a katabolismu neboli energetického metabolismu.

Metabolismus mikroorganismů má své vlastní charakteristiky.

1) Rychlost a intenzita metabolických procesů. Během dne dokáže mikrobiální buňka zpracovat takové množství živin, které 30–40krát převyšuje její vlastní hmotnost.

2) Vyjádřená adaptabilita na měnící se podmínky prostředí.

3) Výživa se provádí přes celý povrch buňky. Prokaryota živiny nepřijímají, netráví je uvnitř buňky, ale rozkládají je mimo buňku pomocí exoenzymů na jednodušší sloučeniny, které jsou transportovány do buňky.

Pro růst a životně důležitou aktivitu mikroorganismů je přítomnost výživných materiálů pro stavbu buněčných komponent a zdrojů energie v biotopu povinná. Mikrobi potřebují vodu, zdroje uhlíku, kyslíku, dusíku, vodíku, fosforu, draslíku, sodíku a dalších prvků. Pro syntézu enzymů jsou také potřebné mikroelementy: železo, mangan, zinek, měď. Různé typy mikrobů vyžadují určité růstové faktory, jako jsou vitamíny, aminokyseliny, purinové a pyrimidinové báze.

Podle schopnosti asimilovat organické nebo neorganické zdroje uhlíku a dusíku se mikroorganismy dělí na

do dvou skupin - autotrofní a heterotrofní.

Autotrofové (řec. autos - sám, trofický - požírající) přijímají uhlík z oxidu uhličitého (CO 2) nebo jeho solí. Z jednoduchých anorganických sloučenin syntetizují bílkoviny, tuky, sacharidy, enzymy.

Transport živin

Do prokaryotické buňky pronikají buněčnou stěnou a cytoplazmatickou membránou pouze malé molekuly, proto jsou proteiny, polysacharidy a další biopolymery nejprve štěpeny exoenzymy na jednodušší sloučeniny, které jsou transportovány do buňky.

K pronikání živin do buňky dochází za pomoci různých mechanismů.

Pasivní difúze - látky vstupují do buňky díky difúzi podél koncentračního gradientu, to znamená, že koncentrace vně buňky je vyšší než uvnitř.

Usnadněná difúze - probíhá také podél koncentračního gradientu, ale za účasti nosných enzymů, tzv. permeáz. Tento enzym k sobě připojuje molekuly látky na vnější straně cytoplazmatické membrány a odevzdává je na vnitřní straně v nezměněné formě. Poté se volný nosič přesune opět na vnější stranu membrány, kde naváže nové molekuly látky. Navíc každá permeáza nese specifickou látku.

Tyto dva přenosové mechanismy nevyžadují náklady na energii.

K aktivnímu přenosu dochází také za účasti permeáz a probíhá proti koncentračnímu gradientu. Mikrobiální buňka může akumulovat látku v koncentraci tisíckrát vyšší než ve vnějším prostředí. Takový proces vyžaduje energii, to znamená, že se spotřebovává ATP.

Translokace radikálů je čtvrtým mechanismem přenosu látek. Jedná se o aktivní přenos chemicky upravených molekul za účasti permeáz. Například taková jednoduchá látka, jako je glukóza, je transportována ve fosforylované formě.

K uvolňování látek z bakteriální buňky dochází pasivní difúzí nebo facilitovanou difúzí za účasti permeáz.

Enzymy

Enzymy jsou katalyzátory biologických procesů. Charakteristickou vlastností enzymů je jejich specifičnost. Každý enzym se účastní pouze specifické reakce s konkrétní chemickou sloučeninou.

Enzymy, které jsou vylučovány bakteriální buňkou do prostředí a provádějí extracelulární trávení, se nazývají exoenzymy. Mezi exoenzymy patří také beta-laktamáza, která ničí penicilin a další beta-laktamová antibiotika, čímž chrání bakterie před jejich působením.

Endoenzymy se podílejí na metabolických procesech uvnitř buňky.

Bakterie se díky své malé velikosti vyznačují vysokým stupněm samoregulace produkce enzymů. V tomto ohledu lze enzymy rozdělit na konstitutivní a adaptivní. Buňka neustále produkuje konstitutivní enzymy. Adaptivní enzymy se zase dělí na indukovatelné a inhibované. K produkci indukovatelných enzymů dochází v přítomnosti substrátu. Například enzymy, které štěpí laktózu, se v buňce tvoří pouze za přítomnosti tohoto sacharidu. Produkce inhibovaných enzymů je naopak potlačena přítomností dostatečně vysoké koncentrace konečného substrátu v médiu (například tryptofanu).

Mnoho patogenních bakterií kromě metabolických enzymů vylučuje enzymy, které jsou faktory virulence. Například takové enzymy jako hyaluronidáza, kolagenáza, deoxyribonukleáza, neuraminidáza přispívají k pronikání a šíření patogenního mikroba v těle.

Schopnost bakterií produkovat určité enzymy je vlastnost tak konstantní, že se používá k identifikaci, tedy k určení typu bakterií. Zjišťují se sacharolytické vlastnosti (fermentace sacharidů) a proteolytické vlastnosti (fermentace bílkovin a peptonu).

Mikrobi se vyznačují vysokou enzymatickou aktivitou. To se používá v průmyslu. V lékařství se používají taková terapeutická činidla, jako je streptokináza (streptokokový fibrinolysin), terrilitin (proteáza Aspergillus terricola). Enzymy mikrobiálního původu - lipázy a proteázy, které jsou součástí pracích prostředků a pracích prášků, rozkládají bílkovinné a tukové nečistoty na látky rozpustné ve vodě, které se snadno smývají vodou.

Biologická oxidace (energetický metabolismus)

Proces biologické oxidace poskytuje energii nezbytnou pro život buňky. Podstata procesu spočívá v sekvenční oxidaci substrátů s postupným uvolňováním energie. Energie je uložena v molekulách ATP.

Sacharidy, alkoholy, organické kyseliny, tuky a další látky podléhají oxidaci. Ale pro většinu mikroorganismů slouží hexózy, zejména glukóza, jako zdroj energie.

Mikroorganismy mají dva typy biologické oxidace: aerobní a anaerobní. U aerobního typu se účastní kyslík a tento proces se nazývá dýchání v užším slova smyslu. U anaerobního typu biologické oxidace dochází k uvolňování energie z organických molekul bez účasti kyslíku a nazývá se fermentace.

Počáteční fáze anaerobního štěpení glukózy za vzniku kyseliny pyrohroznové (PVA) probíhá stejným způsobem. Tento

kyselina je centrálním bodem, od kterého se rozcházejí cesty dýchání a mnoha typů fermentace.

Při aerobním dýchání vstupuje kyselina pyrohroznová do cyklu trikarboxylových kyselin. Vodík PVC vstupuje do dýchacího řetězce. Jedná se o řetězec oxidačních enzymů (cytochromů a cytochromoxidázy). Vodík se přenáší podél řetězce cytochromů a spojuje kyslík aktivovaný působením cytochromoxidázy za vzniku vody. Konečnými produkty aerobní oxidace glukózy jsou oxid uhličitý (kyselina uhličitá) a voda. V procesu dýchání vzniká na molekulu glukózy 38 molekul ATP.

U anaerobního typu biologické oxidace vzniká energie jako výsledek fermentace. Během alkoholového kvašení se PVC nakonec přemění na alkohol a oxid uhličitý. Konečným produktem mléčné fermentace je kyselina mléčná, fermentace kyseliny máselné je kyselina máselná. Během fermentačních procesů se tvoří pouze 2 molekuly ATP na molekulu glukózy.

Mikrobiální povahu fermentace poprvé objevil a dokázal Pasteur. Při studiu máselné fermentace se Pasteur poprvé setkal s možností života bez kyslíku, tedy s anaerobiózou. Zavedl také fenomén, který byl později nazván „Pasteurův efekt“: zastavení fermentačního procesu s širokým přístupem kyslíku.

Anaerobióza existuje pouze mezi prokaryoty. Všechny mikroorganismy podle typu dýchání jsou rozděleny do následujících skupin: obligátní aerobové, obligátní anaeroby, fakultativní anaeroby, mikroaerofilové.

Obligátní aeroby se rozmnožují pouze v přítomnosti volného kyslíku. Patří mezi ně Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae, zázračná hůlka. ,

Obligátní nebo striktní anaeroby přijímají energii bez přístupu kyslíku. Mají neúplnou sadu redoxních enzymů, nemají cytochromový systém, takže substrát (glukózu) zcela nezoxidují na konečné produkty - CO 2 a H 2 O. Navíc v přítomnosti volného kyslíku toxický sloučeniny: peroxid vodíku H 2 O 2 a volný radikál peroxidu kyslíku O 2. Aeroby zároveň neumírají, protože produkují enzymy, které ničí tyto toxické sloučeniny (superoxiddismutáza a kataláza). Sporotvorné anaeroby za těchto podmínek zastavují reprodukci a mění se ve spory. Nesporotvorné anaeroby umírají i při krátkodobém kontaktu s kyslíkem.

Mezi obligátní sporotvorné anaeroby patří klostridie tetanu, botulismus, anaerobní infekce ran; na nesporotvorné anaeroby - bakteroidy, peptobakterie, bifidumbakterie.

Většina patogenních bakterií jsou fakultativní (podmíněné) anaeroby, jako jsou enterobakterie. Mají kompletní sadu enzymů a při širokém přístupu kyslíku oxidují glukózu na konečné produkty; při nízkém obsahu kyslíku způsobují fermentaci.

Mikroaerofily se množí v přítomnosti malého množství kyslíku. Například Campylobacter se může množit v 3-6% kyslíku.

Růst a rozmnožování mikroorganismů

Termín "růst" se týká nárůstu velikosti jednoho jedince a "reprodukce" - nárůst počtu jedinců v populaci.

Bakterie se rozmnožují binárním štěpením na polovinu, méně často pučením. U grampozitivních bakterií se z buněčné stěny a cytoplazmatické membrány vytvoří přepážka, která prorůstá dovnitř. U gramnegativních bakterií se vytvoří konstrikce a poté se buňka rozdělí na dva jedince.

Buněčnému dělení předchází replikace bakteriálního chromozomu podle semikonzervativního typu. V tomto případě se dvouvláknový řetězec DNA rozvine, každé vlákno je doplněno o vlákno komplementární a v důsledku toho každá dceřiná buňka obdrží jeden rodičovský řetězec a jeden nově vytvořený.

Rychlost reprodukce různých druhů bakterií je různá. Většina bakterií se dělí každých 15-30 minut. Mycobacterium tuberculosis se dělí pomalu - jedno dělení za 18 hodin, spirochety - jedno dělení za 10 hodin.

Pokud vysejete bakterie do tekuté živné půdy o určitém objemu a pak každou hodinu odeberete vzorek a určíte počet živých bakterií v takto uzavřeném prostředí a sestavíte graf, na kterém je na ose x vynesen čas v hodinách, a log-rytmus počtu živých bakterií na ose pořadnic, dostaneme křivku růstu bakterií. Růst bakterií je rozdělen do několika fází (obr. 5):

1) latentní fáze (lag fáze) - bakterie se přizpůsobují živnému médiu, jejich počet se nezvyšuje;

2) fáze logaritmického růstu - počet bakterií roste exponenciálně;

3) fáze stacionárního růstu, během které se počet nově vytvořených bakterií vyrovnává s počtem mrtvých a počet živých bakterií zůstává konstantní a dosahuje maximální úrovně. Toto je M-koncentrace - hodnota charakteristická pro každý typ bakterií;

4) fáze umírání, kdy v důsledku hromadění metabolických produktů a vyčerpání životního prostředí začíná převažovat počet odumírajících buněk nad počtem životaschopných bakterií.

Kultura bakterií v takto uzavřeném, neměnném prostředí se nazývá periodická. Pokud se do naočkovaného objemu kontinuálně přivádí čerstvé živné médium a odebírá se stejné množství kapaliny, pak se taková kultura nazývá kontinuální. Počet živých bakterií v takové kultuře bude konstantní při M-koncentraci. Kontinuální kultivace se používá v mikrobiologickém průmyslu.

Tvorba pigmentů, aromatických látek mikroby. Světelné mikroorganismy

Některé druhy mikrobů produkují barvicí látky – pigmenty. Pokud je pigment rozpustný ve vodě, pak jsou kolonie mikrobů i živné médium zbarveny. Například modrý pigment vylučovaný Pseudomonas aeruginosa (Pseudomonas aeruginosa) barví médium modře. Pigmenty, které jsou rozpustné v organických rozpouštědlech, ale nerozpustné ve vodě, nebarví živné médium. Takový červený pigment, tzv. prodigiosan, rozpustný v alkoholu, vylučuje hůlka zázračná (Serratia marcescens). Do této skupiny patří také pigmenty žluté, oranžové, červené barvy, charakteristické pro kokální vzdušnou mikroflóru. U některých typů mikrobů jsou pigmenty tak silně spojeny s protoplazmou buňky, že se nerozpouštějí ani ve vodě, ani v organických rozpouštědlech. Mezi patogenními bakteriemi tvoří stafylokoky takové pigmenty zlaté, plavé, citronově žluté barvy.

Barva pigmentu se používá k určení typu bakterií.

Některé mikroorganismy v procesu metabolismu produkují aromatické látky. Například vůně jasmínu je typická pro Pseudomonas aeruginosa. Charakteristická vůně sýrů, másla, speciální "kytice" vína je vysvětlena životně důležitou činností mikrobů, které se používají k výrobě těchto produktů.

Záře (luminiscence) mikrobů nastává v důsledku uvolňování energie během biologické oxidace substrátu. Záře je tím intenzivnější, čím silnější je příliv kyslíku Světelné bakterie se nazývaly fotobakterie. Rozzáří šupiny ryb v moři, houby, hnijící stromy, potravinářské produkty, na jejichž povrchu se množí. Záře lze pozorovat při nízkých teplotách, například v chladničce. Patogenní pro člověka mezi fotogenními bakteriemi nebyla stanovena.

Záře potravinářských výrobků způsobená bakteriemi nevede k jejich znehodnocení a může to dokonce naznačovat. že v těchto produktech nedochází k hnilobě, protože se zastaví s rozvojem hnilobných mikroorganismů.

KAPITOLA 5

METODY KULTIVACE MIKROORGANISMŮ. STUDIUM KULTURNÍ A BIOCHEMICKÉ

VLASTNOSTI

Kultivace, tedy kultivace mikroorganismů v laboratoři, slouží ke studiu jejich vlastností a získávání biomasy. Na živných půdách se pěstují bakterie, houby, aktinomycety, spirochety a někteří prvoci. Chlamydie, rickettsie, viry a někteří prvoci se mohou množit pouze v živočišném organismu nebo v živých buňkách.

Kulturní vlastnosti tohoto typu mikroorganismů jsou: 1) podmínky nezbytné pro reprodukci a 2) povaha růstu na živných půdách. Kulturní vlastnosti jsou jednou z charakteristik, které se berou v úvahu při identifikaci (druhové definici) mikroorganismů.

Živná média

Živná média musí splňovat určité požadavky. Musí obsahovat všechny živiny nezbytné pro reprodukci tohoto druhu mikrobů. Některé patogenní mikroorganismy rostou na jednoduchých živných půdách, jiné potřebují ke svému rozmnožování přídavek krve, krevního séra a vitamínů.

Kultivační média musí být upravena přidáním chloridu sodného nebo tlumivých roztoků. Pro většinu bakterií je příznivé živné médium obsahující 0,5 % chloridu sodného. Reakce živné půdy, která je příznivá pro většinu patogenních bakterií, je mírně zásaditá, což odpovídá pH = 7,2-7,4. Vibrio cholerae roste při pH=7,8-8,5, houby - při pH=5-5,5. Živné půdy by měly být vlhké, to znamená obsahovat dostatečné množství vody, být maximálně průhledné a sterilní, to znamená, že před výsevem neobsahují mikroby.

Z hlediska složení a původu jsou živná média přírodní, umělá a syntetická. Přírodní živné médium je přírodní produkt, jako jsou brambory, jiná zelenina. Umělá živná média se připravují podle určité receptury z produktů s přídavkem organických a anorganických sloučenin. Syntetická média obsahují určité chemické sloučeniny ve známých koncentracích.

Podle konzistence jsou živná média tekutá, polotekutá, hustá. Jako tmel se obvykle používá agar-agar, polysacharid izolovaný z mořských řas. Agar-agar nevyužívají mikroorganismy jako živinu, ve vodě tvoří gel, který taje při 100°C a tuhne při 45°C.

Pro získání hustého živného média se přidá agar-agar v koncentraci 1,5-2%, pro polotekuté - 0,5%.

Podle zamýšleného účelu lze živná média rozdělit na běžná (jednoduchá), speciální, elektivní, diferenciálně diagnostická.

Pro kultivaci většiny mikroorganismů se používají konvenční (jednoduchá) živná média, jedná se o maso-peptonový bujón (MPB), maso-peptonový agar (MPA).

Pro kultivaci mikroorganismů, které nerostou na jednoduchých médiích, se používají speciální živná média. Například krevní agar a cukrový bujón na streptokoky, sérový agar na meningokoky a gonokoky.

Elektivní kultivační média se používají k izolaci jednoho druhu ze směsi různých bakterií. Tento typ bakterií roste na tomto médiu rychleji a lépe než ostatní, ve svém růstu před nimi; růst jiných bakterií je na tomto médiu zpožděn. Například sražené sérum na difterický bacil, alkalickou peptonovou vodu na vibrio cholerae, žlučový vývar na bacilo břišního tyfu, solné médium na zlatého stafylokoka.

Diferenciálně diagnostická živná média se používají k odlišení některých typů bakterií od jiných podle jejich enzymatické aktivity (viz příslušná část).

Kultivace a izolace čistých kultur aerobních bakterií

Pro kultivaci mikroorganismů jsou nutné určité podmínky: teplota, aerobní nebo anaerobní podmínky.

Teplota by měla být pro tento druh optimální. Většina patogenních bakterií se množí při 37 °C. Pro některé druhy je však optimální nižší teplota, což souvisí se zvláštnostmi jejich ekologie. Takže pro bacil moru, jehož přirozeným prostředím jsou během zimního spánku hlodavci, je optimální teplota 28°C, stejně jako pro leptospiry, pro bacil botulismu - 28°C-35°C.

Kromě optimální teploty je pro kultivaci mikroorganismů v závislosti na druhu nutné aerobní nebo anaerobní prostředí.

Aby bylo možné studovat morfologii, kulturní, biochemické a další vlastnosti mikrobů, je nutné získat čistou kulturu. Obvykle se kultura mikrobů nazývá jejich akumulace na živném médiu ve formě zákalu, růstu v blízkosti dna (parietálního) nebo filmu na povrchu kapalného média nebo kolonií na hustém médiu. Z jedné mikrobiální buňky se vytvoří samostatná kolonie. Čistá kultura je kultura mikrobů jednoho druhu získaná z jedné kolonie. V laboratořích se pro různé studie používají určité známé kmeny mikrobů. Kmen je čistá kultura mikrobů získaná z určitého zdroje, v určité době, se známými vlastnostmi. Kmeny mikrobů jsou zpravidla označeny konkrétním číslem. Například kmen Staphylococcus aureus 209P se používá ke stanovení aktivity penicilinu.

Izolace čistých kultur aerobů obvykle trvá tři dny a provádí se podle následujícího schématu:

1. den - mikroskopie nátěru z testovaného materiálu, obarveného (obvykle Gramem) - pro předběžné seznámení s mikroflórou, což může být užitečné při výběru živného média pro inokulaci. Poté naočkujte materiál na povrch ztuhlého živného agaru, abyste získali izolované kolonie. Prosévání lze provést podle Drygalského metody na třech Petriho miskách s živnou půdou. Na první kalíšek se nanese kapka hmoty a stěrkou se rozetře po celém kalíšku. Poté se stejnou špachtlí kultura, která na ní zůstala, rozdělí na druhý šálek a stejným způsobem na třetí. Největší počet kolonií vyroste na prvním šálku, nejméně - na třetím. V závislosti na tom, kolik mikrobiálních buněk bylo v testovaném materiálu, vyrostou izolované kolonie na jednom z pohárků.

Stejného výsledku lze dosáhnout sítem na jeden šálek. Chcete-li to provést, rozdělte šálek na čtyři sektory. Testovaný materiál se naočkuje bakteriologickou smyčkou s tahy na první sektor, poté se po kalcinaci a ochlazení smyčky očkovací materiál rozdělí z prvního sektoru do druhého a stejným způsobem postupně do třetího a čtvrtého sektoru. Izolované kolonie se tvoří z jednotlivých mikrobiálních buněk po každodenní inkubaci v termostatu.

2. den - studium kolonií pěstovaných na miskách, jejich popis. Kolonie mohou být průhledné, průsvitné nebo neprůhledné, mají různé velikosti, zaoblené pravidelné nebo nepravidelné obrysy, konvexní nebo plochý tvar, hladký nebo drsný povrch, rovné nebo zvlněné, zubaté okraje. Mohou být bezbarvé nebo mít bílou, zlatou, červenou, žlutou barvu. Na základě studia těchto vlastností se vypěstované kolonie rozdělí do skupin. Poté se ze studijní skupiny vybere izolovaná kolonie, připraví se nátěr pro mikroskopické vyšetření za účelem kontroly homogenity mikrobů v kolonii. Ze stejné kolonie se provádí inokulace do zkumavky se šikmým živným agarem.

3. den - kontrola čistoty kultury vypěstované na šikmém agaru stěrovou mikroskopií. Při homogenitě studovaných bakterií lze izolaci čisté kultury považovat za úplnou.

K identifikaci izolovaných bakterií se studují kulturní charakteristiky, to znamená povaha růstu na tekutých a pevných živných půdách. Například streptokoky na cukrovém vývaru tvoří téměř spodní a parietální sediment, na krevním agaru - malé tečkované kolonie; cholera vibrio tvoří film na povrchu alkalické peptonové vody a na alkalickém agaru - průhledné kolonie; morový bacil na živném agaru tvoří kolonie ve formě "krajkových kapesníčků" s hustým středem a tenkými zvlněnými okraji a v tekutém živném médiu - film na povrchu a poté - vlákna vyčnívající z něj ve formě " stalaktity“.

Tak jako za prvé časté Kapitola... zemědělský mikrobiologie(Petrohrad) a čes mikrobiologové Všeobecné

anotace

Úvod

1. Obecné pojmy metabolismu a energie

2. Konstruktivní metabolismus

3.1 Zdroje uhlíku

4. Typy metabolismu mikroorganismů

7. Energetický metabolismus chemoorganotrofů pomocí procesu dýchání

8. Energetický metabolismus chemolitoautotrofů

Závěr

Tato práce obsahuje základní informace o konstruktivním a energetickém metabolismu bakterií. Práce je provedena na 37 listech. Obsahuje 5 obrázků a 1 tabulku.

Souhrn procesů přeměny hmoty v živém organismu, doprovázený jeho neustálou obnovou, se nazývá metabolismus nebo metabolismus.

Nejdůležitější vlastnosti živých organismů jsou schopnost sebereprodukce a jejich nejbližší vztah k prostředí. Jakýkoli organismus může existovat pouze za podmínky neustálého přílivu živin z vnějšího prostředí a uvolňování odpadních látek do něj.

Živiny absorbované buňkou se v důsledku složitých biochemických reakcí přeměňují na specifické buněčné složky. Souhrn biochemických procesů absorpce, asimilace živin a vytváření strukturních prvků buňky díky nim se nazývá konstruktivní metabolismus nebo anabolismus. Konstruktivní procesy probíhají s absorpcí energie. Energii potřebnou pro procesy biosyntézy dalších buněčných funkcí, jako je pohyb, osmoregulace atd., buňka přijímá díky toku oxidačních reakcí, jejichž souhrnem je energetický metabolismus neboli katabolismus (obr. 1).

Všechny živé organismy mohou využívat pouze chemicky vázanou energii. Každá látka má určité množství potenciální energie. Jeho hlavními hmotnými nosiči jsou chemické vazby, jejichž porušením nebo přeměnou dochází k uvolnění energie.

Energetická hladina chemických vazeb není stejná. Pro někoho má hodnotu řádově 8-10 kJ. Taková spojení se nazývají normální. Ostatní vazby obsahují mnohem více energie – 25-40 kJ. Jedná se o tzv. makroergické vazby. Téměř všechny známé sloučeniny s takovými vazbami zahrnují atomy fosforu a síry, které se podílejí na tvorbě těchto vazeb.

Adenosintrifosfát (ATP) hraje důležitou roli v životě buněk. Jeho molekula se skládá z adeninu, ribózy a tří zbytků kyseliny fosforečné: (Přílohy obr. 2)

ATP zaujímá ústřední místo v energetickém metabolismu buňky. Makroergické vazby v molekule ATP jsou velmi křehké. Hydrolýza těchto vazeb vede k uvolnění značného množství volné energie:

ATP + H20 → ADP + H3P04 - 30,56 kJ

Hydrolýza probíhá za účasti specifických enzymů, které poskytují energii pro biochemické procesy, které probíhají při absorpci energie. ATP v tomto případě hraje roli dodavatele energie. Molekula ATP má malou velikost a difunduje do různých částí buňky. Zásoba ATP v buňkách se neustále obnovuje díky reakcím přidání zbytku kyseliny fosforečné k molekule kyseliny adenosindifosforečné (ADP):

ADP + H3P04 → ATP + H20

Syntéza ATP, stejně jako hydrolýza, probíhá za účasti enzymů, ale je doprovázena absorpcí energie, jejíž způsoby získávání u mikroorganismů, i když jsou různé, lze redukovat na dva typy:

1) využití světelné energie;

2) využití energie chemických reakcí.

V tomto případě se oba druhy energie přeměňují na energii chemických vazeb ATP. ATP tedy v buňce působí jako transformátor.

Anabolismus a katabolismus jsou neoddělitelně spojeny a tvoří jeden celek, protože produkty energetického metabolismu (ATP a některé nízkomolekulární sloučeniny) se přímo využívají při konstruktivním metabolismu buňky (obr. 6.1).

V buňkách mikroorganismů závisí poměr mezi energií a konstruktivními procesy na řadě specifických podmínek, zejména na povaze živin. Katabolické reakce však obvykle objemově převyšují biosyntetické procesy. Vzájemný vztah a konjugace těchto dvou typů metabolismu se projevuje především v tom, že celkový objem konstruktivních procesů zcela závisí na množství dostupné energie získané v průběhu energetického metabolismu.

Konstruktivní metabolismus je zaměřen na syntézu čtyř hlavních typů biopolymerů: proteinů, nukleových kyselin, polysacharidů a lipidů.

Níže je zobecněné podmíněné schéma pro biosyntézu komplexních organických sloučenin, kde se rozlišují následující hlavní fáze: tvorba organických prekurzorů z nejjednodušších anorganických látek (I), ze kterých se v dalším syntetizují „stavební bloky“ (II). etapa. V budoucnu budou stavební bloky, vázající se na sebe kovalentními vazbami, tvořit biopolymery (III): Aplikace (obr. č. 3)

Prezentované schéma biosyntetických procesů neodráží složitost přeměny nízkomolekulárních prekurzorů na vysokomolekulární stavební bloky. Ve skutečnosti syntéza probíhá jako série po sobě jdoucích reakcí s tvorbou různých metabolických meziproduktů. Kromě toho jsou úrovně rozvoje biosyntetických schopností mikroorganismů velmi rozdílné. U některých mikrobů zahrnuje konstruktivní metabolismus všechna stádia znázorněná na diagramu, u jiných je omezen na druhou a třetí nebo pouze třetí fázi. Proto se mikroorganismy navzájem výrazně liší ve svých nutričních potřebách. Elementární složení potravy je však pro všechny živé organismy stejné a musí zahrnovat všechny složky tvořící buněčnou látku: uhlík, dusík, vodík, kyslík atd.

V závislosti na zdrojích uhlíku používaných v konstruktivním metabolismu se mikroorganismy dělí do dvou skupin: autotrofní a heterotrofní.

Autotrofy (z řeckého „autos“ – sám, „trofe“ – potrava) využívají jako jediný zdroj uhlíku oxid uhličitý a z této jednoduché anorganické prekurzorové sloučeniny syntetizují všechny potřebné biopolymery. Autotrofy mají nejvyšší biosyntetickou kapacitu.

Heterotrofové (z řeckého „heteros“ – jiný) potřebují organické zdroje uhlíku. Jejich nutriční požadavky jsou velmi rozmanité. Některé z nich se živí odpadními produkty jiných organismů nebo využívají odumřelé rostlinné a živočišné tkáně. Takové mikroorganismy se nazývají saprofyty (z řeckého "sapros" - shnilý a "fyton" - rostlina). Množství organických sloučenin, které používají jako zdroje uhlíku, je extrémně velké - jsou to sacharidy, alkoholy, organické kyseliny, aminokyseliny atd. Téměř jakoukoli přírodní sloučeninu může ten či onen typ mikroorganismu využít jako zdroj výživy nebo energie .

Dusík je nutný pro syntézu buněčných proteinů. Ve vztahu ke zdrojům dusíkaté výživy mezi mikroorganismy lze rozlišit autoaminotrofy a heteroaminotrofy. Ti první dokážou využít anorganický dusík (amonný, dusičnanový, molekulární) nebo nejjednodušší formy organického (močovina) a z těchto sloučenin postavit různé bílkoviny svého těla. V tomto případě se všechny formy dusíku nejprve převedou na amonnou formu. Tato nejvíce redukovaná forma dusíku se snadno přemění na aminoskupinu. Heteroaminotrofy potřebují organické formy dusíku – bílkoviny a aminokyseliny. Některé z nich vyžadují kompletní sadu aminokyselin, jiné vytvářejí potřebné proteinové sloučeniny z jedné nebo dvou aminokyselin jejich přeměnou.

Mnoho mikroorganismů, které jsou heterotrofní vzhledem k uhlíku, jsou autoaminotrofy. Patří mezi ně bakterie podílející se na čištění odpadních vod.

Mikroorganismy uspokojují potřebu kyslíku a vodíku pro konstruktivní výměnu na úkor vody a organických živin. Zdrojem prvků popela (P, S, K, Mg, Fe) jsou odpovídající minerální soli. Potřeba těchto prvků je malá, ale přítomnost v prostředí je povinná. Kromě toho jsou pro normální fungování mikrobů nezbytné mikroprvky - Zn, Co, Cu, Ni atd. Některé z nich jsou součástí přirozené výživy mikrobů, některé jsou jimi absorbovány z minerálních solí.

Způsoby získávání potravy, tedy způsoby výživy mikroorganismů, jsou velmi rozmanité. Existují tři hlavní typy výživy: holofytní, saprozoické, holozoické.

Výživa holofytů (z řeckého "holo" - celá, "fit" - rostlina) se provádí podle typu rostlinné fotosyntézy. Taková výživa je vlastní pouze autotrofům. Z mikroorganismů je tato metoda charakteristická pro řasy, barevné formy bičíků a některé bakterie.

Heterotrofní mikroorganismy se živí buď pevnými částicemi potravy nebo absorbují rozpuštěnou organickou hmotu.

Holozoická výživa předurčuje v mikroorganismech vývoj speciálních organel pro trávení potravy a v některých - pro její zachycení. Například nezbarvené bičíky a ciliární řasy mají ústní otvor, do kterého je potrava hnána bičíky nebo řasinkami. Nejlépe organizované řasinky tvoří proud vody ve formě nálevky s periorálními řasinkami, směřujícími úzkým koncem do úst. Částice potravy se ukládají na dně nálevky a nálevníci je polykají. Takovým nálevníkům se říká sedimentátory. Améby se živí fagocytózou.

Mikroorganismy s holozoickým způsobem výživy pro konstruktivní metabolismus využívají především cytoplazmu jiných organismů – bakterií, řas atd. a mají speciální organely pro trávení. Trávicí proces u prvoků probíhá v trávicích vakuolách.

Trávení spočívá v hydrolytickém štěpení složitých organických látek na jednodušší sloučeniny. Přitom se sacharidy hydrolyzují na jednoduché cukry, bílkoviny na aminokyseliny a při hydrolýze lipidů vzniká glycerol a vyšší mastné kyseliny. Produkty trávení se vstřebávají do cytoplazmy a procházejí další transformací.

Bakterie, mikroskopické houby, kvasinky nemají speciální organely pro zachycení potravy a ta se do buňky dostává celým povrchem. Tento způsob stravování se nazývá saprozoický.

Aby mohly vstoupit do buňky, musí být živiny v rozpuštěném stavu a musí mít vhodnou molekulovou velikost. Pro mnoho makromolekulárních sloučenin je cytoplazmatická membrána nepropustná a některé z nich ani nemohou proniknout buněčnou membránou. To však neznamená, že makromolekulární sloučeniny nejsou mikroorganismy využívány jako živiny. Mikroorganismy syntetizují extracelulární trávicí enzymy, které hydrolyzují komplexní sloučeniny. Proces trávení, ke kterému dochází ve vakuolách u prvoků, se tedy u bakterií uskutečňuje mimo buňku (přílohy, obr. 4).

Velikost molekul není jediným faktorem, který rozhoduje o pronikání živin do buňky.

Cytoplazmatická membrána je schopna některé sloučeniny propustit a jiné zadržet.

Je známo několik mechanismů přenosu látek přes buněčnou membránu: jednoduchá difúze, facilitovaná difúze a aktivní přenos (přílohy, obr. 5).

Jednoduchá difúze je pronikání molekul látky do buňky bez pomoci jakýchkoli nosičů.

Při nasycení buňky živinami má jednoduchá difúze malý význam. To je však způsob, jakým molekuly vody vstupují do buňky. Důležitou roli v tomto procesu hraje osmóza - difúze molekul rozpouštědla přes polopropustnou membránu ve směru koncentrovanějšího roztoku.

Roli semipermeabilní membrány v buňce plní cytoplazmatická membrána. V buněčné míze je rozpuštěno velké množství molekul různých látek, proto mají buňky mikroorganismů poměrně vysoký osmotický tlak. Jeho hodnota u mnoha mikrobů dosahuje 0,5-0,8 MPa. V prostředí je osmotický tlak obvykle nižší. To způsobuje příliv vody do buňky a vytváří v ní určité napětí zvané turgor.

S usnadněnou difúzí vstupují rozpuštěné látky do buňky za účasti speciálních nosných enzymů nazývaných permeázy. Ty jakoby zachycují molekuly rozpuštěných látek a přenášejí je na vnitřní povrch membrány.

Jednoduchá a usnadněná difúze jsou varianty pasivního transportu látek. Hnací silou pro přenos látek do buňky je v tomto případě koncentrační gradient na obou stranách membrány. Většina látek však vstupuje do buňky proti koncentračnímu gradientu. V tomto případě se na takový přenos vynakládá energie a přenos se nazývá aktivní. Aktivní přenos probíhá za účasti specifických proteinů, je spojen s energetickým metabolismem buňky a umožňuje akumulaci živin v buňce v koncentraci mnohonásobně větší, než je jejich koncentrace ve vnějším prostředí. Aktivní přenos je hlavním mechanismem pro vstup živin do buněk se saprozoickou výživou.

3. Požadavky na živiny prokaryot

Monomery nezbytné pro konstrukci hlavních buněčných složek mohou být syntetizovány buňkou nebo mohou přijít v hotové formě z prostředí. Čím více hotových sloučenin musí organismus přijímat zvenčí, tím nižší je úroveň jeho biosyntetických schopností, protože chemická organizace všech volně žijících forem je stejná.

3.1 Zdroje uhlíku

V konstruktivním metabolismu má hlavní role uhlík, protože všechny sloučeniny, ze kterých jsou stavěny živé organismy, jsou sloučeniny uhlíku. Je jich známo asi milion. Prokaryota jsou schopna působit na jakoukoli známou sloučeninu uhlíku, tedy využít ji ve svém metabolismu. V závislosti na zdroji uhlíku pro konstruktivní metabolismus se všechna prokaryota dělí do dvou skupin: autotrofní, kam patří organismy schopné syntetizovat všechny buněčné složky z oxidu uhličitého, a heterotrofní, jejichž zdrojem uhlíku pro konstruktivní metabolismus jsou organické sloučeniny. Pojmy „auto-“ a „heterotrofie“ tak charakterizují typ konstruktivního metabolismu. Pokud je autotrofie poměrně jasný a úzký pojem, pak je heterotrofie velmi široký pojem a spojuje organismy, které se výrazně liší ve svých potřebách živin.

Další velkou skupinou prokaryot jsou tzv. saprofyti - heterotrofní organismy, které nejsou přímo závislé na jiných organismech, ale potřebují hotové organické sloučeniny. Využívají odpadní produkty jiných organismů nebo rozkládající se rostlinné a živočišné tkáně. Většina bakterií jsou saprofyty. Stupeň náročnosti na substrát u saprofytů je velmi rozdílný. Do této skupiny patří organismy, které mohou růst pouze na poměrně složitých substrátech (mléko, mrtvoly zvířat, hnijící zbytky rostlin), tj. potřebují sacharidy, organické formy dusíku ve formě sady aminokyselin, peptidů, bílkovin, celé nebo částečně vitamíny, nukleotidy nebo hotové komponenty nezbytné pro jejich syntézu (dusíkaté báze, pětiuhlíkové cukry). Pro uspokojení potřeby těchto heterotrofů pro živiny se obvykle kultivují na médiích obsahujících masové hydrolyzáty, kvasinkové autolyzáty, rostlinné extrakty a syrovátku.

Existují prokaryota, která pro svůj růst vyžadují velmi omezený počet hotových organických sloučenin, především z vitamínů a aminokyselin, které si nejsou schopni sami syntetizovat, a konečně i heterotrofní, kteří potřebují pouze jeden organický zdroj uhlíku. Může to být jakýkoli cukr, alkohol, kyselina nebo jiná sloučenina obsahující uhlík. Jsou popsány bakterie rodu Pseudomonas, které mohou využívat kteroukoli z 200 různých organických sloučenin jako jediný zdroj uhlíku a energie, a bakterie, pro které může jako zdroj uhlíku a energie sloužit úzký okruh spíše exotických organických látek. Například Bacillus fastidiosus může používat pouze kyselinu močovou a její degradační produkty a někteří zástupci rodu Clostridium rostou pouze v médiu obsahujícím puriny. Nemohou používat k růstu jiné organické substráty. Biosyntetické schopnosti těchto organismů jsou vyvinuty do takové míry, že samy dokážou syntetizovat všechny sloučeniny uhlíku, které potřebují.

Zvláštní skupinou heterotrofních prokaryot žijících ve vodních útvarech jsou oligotrofní bakterie schopné růstu v nízkých koncentracích v organické hmotě. Organismy, které preferují vysoké koncentrace živin, se označují jako kopiotrofy. Pokud jsou u typických kopiotrofů vytvořeny optimální podmínky pro růst, když je obsah živin v médiu přibližně 10 g / l, pak pro oligotrofní organismy - v rozmezí 1-15 mg uhlíku / l. V prostředí s vyšším obsahem organické hmoty takové bakterie zpravidla nemohou růst a umírat.

Dusík je jedním ze čtyř základních prvků, které se podílejí na stavbě buněk. Obsahuje přibližně 10 % na bázi sušiny. Přírodní dusík se vyskytuje v oxidované, redukované a molekulární formě. Naprostá většina prokaryot asimiluje dusík v redukované formě. Jsou to amonné soli, močovina, organické sloučeniny (aminokyseliny nebo peptidy). Oxidované formy dusíku, hlavně dusičnany, mohou být také spotřebovány mnoha prokaryoty. Protože se dusík používá při konstruktivním buněčném metabolismu ve formě amoniaku, musí být dusičnany před začleněním do organických sloučenin redukovány.

Redukce dusičnanů na amoniak se provádí postupným působením dvou enzymů - dusičnanu a dusitanreduktázy.

Schopnost jednotlivých zástupců prokaryotického světa využívat molekulární dusík atmosféry byla objevena již dávno. Nedávno se ukázalo, že tuto vlastnost má mnoho prokaryot patřících do různých skupin: eu- a archaebakterie, aeroby a anaeroby, fototrofní a chemotrofní, volně žijící a symbiotické formy. Fixace molekulárního dusíku vede také k jeho redukci na amoniak.

3.3 Požadavky na zdroje síry a fosforu

Síra je součástí aminokyselin (cystein, methionin), vitamínů a kofaktorů (biotin, kyselina lipoová, koenzym A aj.), fosfor je nezbytnou součástí nukleových kyselin, fosfolipidů, koenzymů. V přírodě je síra ve formě anorganických solí, hlavně síranů, ve formě molekulární síry nebo je součástí organických sloučenin. Většina prokaryot pro biosyntetické účely spotřebovává síru ve formě síranu, který je následně redukován na úroveň sulfidu. Některé skupiny prokaryot však nejsou schopné redukce síranů a vyžadují redukované sloučeniny síry. Hlavní formou fosforu v přírodě jsou fosfáty, které uspokojují potřeby prokaryot v tomto prvku.

3.4 Potřeba kovových iontů

Všechna prokaryota vyžadují kovy, které lze použít ve formě kationtů anorganických solí. Některé z nich (hořčík, vápník, draslík, železo) jsou potřeba v dosti vysokých koncentracích, potřeba jiných (zinek, mangan, sodík, molybden, měď, vanad, nikl, kobalt) je malá. Role výše uvedených kovů je dána skutečností, že jsou součástí hlavních buněčných metabolitů a podílejí se tak na realizaci životních funkcí těla.

3.5 Potřeba růstových faktorů

Některá prokaryota potřebují některou z organických sloučenin ze skupiny vitamínů, aminokyselin nebo dusíkatých zásad, které si z nějakého důvodu neumí syntetizovat z použitého zdroje uhlíku. Tyto organické sloučeniny, potřebné ve velmi malých množstvích, se nazývají růstové faktory. Organismy, které vyžadují kromě hlavního zdroje uhlíku jeden nebo více růstových faktorů, se nazývají auxotrofy, na rozdíl od prototrofů, které syntetizují všechny potřebné organické sloučeniny z hlavního zdroje uhlíku.

Pro kompletní charakterizaci mikroorganismů se používá pojem typu metabolismu. Rozdíly v typech metabolismu určitých skupin mikroorganismů jsou způsobeny zvláštnostmi konstruktivní a specifické výměny energie. Podle zdroje energie použitého k výrobě ATP se mikroorganismy dělí na fototrofy (využívají energii světla) a chemotrofy (využívají energii chemických reakcí).

Proces tvorby ATP se nazývá fosforylace; probíhá v mitochondriích (u eukaryot) a enzymových systémech lokalizovaných na cytoplazmatické membráně (u prokaryot). Mechanismus tvorby ATP v různých skupinách mikroorganismů není stejný. Existuje substrát, oxidace a fotofosforylace. Jakýkoli typ fosforylace je nutně spojen s přenosem elektronů v průběhu redoxních reakcí energetického metabolismu. Některé mikroorganismy přitom využívají jako donory elektronů (vodíku) anorganické sloučeniny, jiné organické sloučeniny. V souladu s tím se první nazývají lithotrofy, druhé - organotrofy.

S přihlédnutím k typu výživy (auto- nebo heterotrofní), povaze donoru elektronů, zdroje energie (světlo nebo chemická reakce), lze tedy možné kombinace konstruktivních a energetických výměn znázornit jako následující schéma.

Každá z uvedených možností charakterizuje určitý typ metabolismu. V tabulce. 1 ukazuje zástupce mikroorganismů každého typu metabolismu

Většina mikroorganismů žijících v přírodních odpadních vodách a hrajících důležitou roli při utváření kvality vody a jejím čištění patří k osmému a prvnímu typu metabolismu. V tomto ohledu je jim v další prezentaci materiálu věnována hlavní pozornost.

5. Energetický metabolismus fototrofů

Vše uvedeno v tabulce. 1 fotosyntetické mikroorganismy jsou přizpůsobeny použití viditelného světla (vlnová délka 400-700 nm) a blízkého infračerveného záření (700-1100 nm). Tato schopnost existovat díky energii světla je způsobena přítomností organel se specifickými pigmenty citlivými na světlo v buňkách. Každý typ mikroorganismu má charakteristickou a konstantní sadu pigmentů.

stůl 1

U některých zástupců skupiny sinic byla spolu s fotolitoautotrofií prokázána schopnost fotolito- nebo chemoorganoheterotrofie. Existuje řada chemolitoautotrofních druhů Thiobacillus pomocí organických sloučenin jako zdrojů energie a uhlíku, tj. chemoorganoheterotrofně.

Některá prokaryota mohou existovat pouze na základě nějakého jednoho způsobu výživy. Například jednobuněčná sinice Synechococcus elongatus dokáže využívat pouze světlo jako zdroj energie a oxid uhličitý jako hlavní zdroj uhlíku v konstruktivním metabolismu. Charakterizujeme-li způsob existence (životní styl, typ metabolismu) tohoto organismu, říkáme, že jde o obligátního fotolitoautotrofa. Mnoho bakterií rodu Thiobacillus jsou obligátní chemolitoautotrofy, to znamená, že zdrojem energie je pro ně oxidace různých sloučenin síry a zdrojem uhlíku pro stavbu tělesných látek je oxid uhličitý. Naprostá většina bakterií jsou obligátní chemoorganoheterotrofy využívající organické sloučeniny jako zdroj uhlíku a energie.

Světelná energie je zachycena systémem absorbujících pigmentů a přenesena do reakčního centra, které excituje molekuly chlorofylu. Ve tmě je molekula chlorofylu ve stabilním neexcitovaném stavu, při dopadu světla na tuto molekulu je excitována a jeden z elektronů na vyšší energetickou hladinu. Molekuly chlorofylu jsou úzce spjaty se systémem přenosu elektronů. Každé kvantum absorbovaného světla zajistí oddělení jednoho elektronu od molekuly chlorofylu, který průchodem elektronovým transportním řetězcem předá svou energii systému ADP-ATP, čímž se světelná energie přemění na energii makroergická vazba molekuly ATP. Tento způsob produkce ATP se nazývá fotosyntetická fosforylace.

Pro realizaci biosyntetických procesů produktivní výměny však mikroorganismy kromě energie potřebují redukční činidlo – donor vodíku (elektrony). Pro řasy a sinice slouží voda jako takový exogenní donor vodíku. Redukce oxidu uhličitého v procesu fotosyntézy a jeho přeměna na strukturní složky buňky u těchto typů mikroorganismů probíhá podobně jako fotosyntéza vyšších rostlin:

CO2+H2O->(CH2O)+O2

Vzorec CH2O symbolizuje vznik organické sloučeniny, ve které úroveň oxidace uhlíku přibližně odpovídá oxidaci uhlíku v organických látkách buňky.

U fotosyntetických bakterií mohou být donory vodíku pro syntézní reakce jak anorganické, tak organické látky. Většina fialových a zelených sirných bakterií patřících do skupiny fotolitoautotrofů redukuje CO2 pomocí H2S jako dárce vodíku:

CO2+2H2S->(CH2O)+H2O+2S

Tento typ fotosyntézy se nazývá fotoredukce.Hlavní rozdíl mezi bakteriální fotoredukcí a fotosyntézou zelených rostlin a řas spočívá v tom, že jako donor vodíku se používají jiné sloučeniny, nikoli voda, a fotoredukce není doprovázena uvolňováním kyslíku.

Na rozdíl od anorganických redukčních činidel, která působí pouze jako donory vodíku, mohou exogenní organická redukční činidla současně sloužit jako zdroje uhlíku (fotoorganoheterotrofie).

Schopnost využívat organické sloučeniny v té či oné míře je vlastní všem fotosyntetickým bakteriím. Pro fotolithoheterotrofy slouží pouze jako zdroje uhlíkové výživy, pro fotoorganoautotrofy pouze jako donory vodíku. Například nesírové purpurové bakterie rodu Rhodopseudomonas sp. může provádět fotosyntézu pomocí isopropanolu jako donoru vodíku, přičemž redukuje oxid uhličitý a produkuje aceton:

energie ATP

CO2 + 2CH3CHOHCH3 → (CH2O) + 2CH3COCH3 + H2O

6. Energetický metabolismus chemotrofů pomocí fermentačních procesů

Ze tří cest tvorby ATP je fosforylace substrátu nejjednodušší. Tento typ energetického metabolismu je charakteristický pro mnoho bakterií a kvasinek, které provádějí různé druhy fermentace.

Fermentace probíhá za anaerobních podmínek a lze ji definovat jako proces biologické oxidace složitých organických substrátů pro výrobu energie, při kterém vzniká konečný akceptor vodíku (též organická hmota) při rozpadu původního substrátu. V tomto případě některé organické látky slouží jako donory vodíku a jsou oxidovány, zatímco jiné slouží jako akceptory vodíku a v důsledku toho jsou redukovány. Přenos vodíku z donorů na akceptory se provádí pomocí redoxních enzymů.

Kromě sacharidů je řada bakterií schopna fermentovat širokou škálu sloučenin: organické kyseliny, aminokyseliny, puriny atd. Podmínkou, která určuje schopnost látky fermentovat, je přítomnost neúplně oxidovaných (redukovaných) atomů uhlíku v její strukturu. Pouze v tomto případě je možné intra- a intermolekulární přeskupení substrátu v důsledku konjugace oxidačních a redukčních reakcí bez účasti kyslíku.

V důsledku fermentačních procesů se v médiu hromadí látky, ve kterých může být stupeň oxidace uhlíku buď vyšší, nebo nižší než v původním substrátu. Přísná rovnováha oxidačních a redukčních procesů během fermentace však vede k tomu, že průměrný stupeň oxidace uhlíku zůstává stejný jako u substrátu.

Existuje několik typů fermentací, jejichž názvy jsou uvedeny podle konečného produktu: alkoholová (provádějí kvasinky a některé druhy bakterií), kyselina propionová (bakterie propionové), metanová (bakterie tvořící metan), máselná (máselná bakterie) atd.

Mnoho mikroorganismů, které provádějí fermentační procesy, jsou obligátní anaeroby, které se nemohou vyvíjet v přítomnosti kyslíku a dokonce i slabších oxidačních činidel. Jiné - fakultativní anaeroby - mohou růst jak v kyslíkovém prostředí, tak v anoxickém prostředí. Tato výrazná vlastnost fakultativních anaerobů se vysvětluje tím, že mohou změnit způsob tvorby ATP, přejít z oxidativní fosforylace v přítomnosti kyslíku v prostředí na absenci substrátu. Charakteristickým znakem biologických oxidačních procesů je jejich vícestupňový charakter. zajišťující postupné uvolňování volné energie obsažené ve složitých organických substrátech.

Vícestupňový energetický metabolismus je zásadně nezbytný pro život každého organismu. Pokud by oxidace komplexních látek v buňce probíhala v jedné fázi, pak by současné uvolnění několika stovek kilojoulů vedlo k uvolnění velkého množství tepla, prudkému zvýšení teploty a smrti buňky, protože účinnost využití energie je omezena možnostmi systému ADP-ATP.

Nejjednodušším příkladem anaerobní oxidace glukózy je mléčná fermentace. Způsobují ho bakterie mléčného kvašení, fakultativní anaeroby, které netvoří spory. Transformace PVC během mléčné fermentace probíhá následovně:

CH3COCOOH + OVER*H2, - CH3CHOHCOOH + OVER

Mnohem složitější je mechanismus fermentace kyseliny propionové, která slouží jako zdroj energie pro skupinu propionových bakterií, fakultativních anaerobů, imobilních nesporotvorných bakterií rodu Propionibacterium. Tyto bakterie syntetizují konečný akceptor navázáním CO2 na molekulu PVCL. Proces je známý jako heterotrofní asimilace CO2. V důsledku toho vzniká kyselina oxaloctová - akceptor vodíku pro NAD*H2. Další enzymatické reakce vedou ke vzniku kyseliny propionové.

Máselná fermentace je prováděna bakteriemi rodu Clostridium. Energetická výtěžnost fermentačního procesu je tedy nízká, protože organické látky nejsou zcela oxidovány a část energie původního substrátu je uložena v poměrně složitých fermentačních produktech. Ve většině případů při fermentaci glukózy buňka skladuje dvě molekuly ATP na 1 mol glukózy.

Pro získání energie nezbytné pro syntézu buněčné hmoty a dalších životně důležitých funkcí musí mikroorganismy, které provádějí fermentační procesy, zpracovat velké množství organických látek.

Právě z těchto důvodů jsou na čistírnách odpadních vod anaerobní fermentační procesy využívány k úpravě koncentrovaných substrátů – čistírenských kalů.

Většina heterotrofních organismů získává energii v procesu dýchání – biologické oxidaci složitých organických substrátů, které jsou donory vodíku. Vodík z oxidované látky vstupuje do dýchacího řetězce enzymů. Dýchání se nazývá aerobní, pokud roli konečného akceptoru vodíku plní volný kyslík. Mikroorganismy, které mohou existovat pouze v přítomnosti kyslíku, se nazývají obligátní aeroby.

Jako zdroje energie - donory vodíku - chemoorganoheterotrofy v procesu dýchání mohou využívat různé oxidovatelné organické sloučeniny: sacharidy, tuky, bílkoviny, alkoholy, organické kyseliny atd. Celkově je proces dýchání při oxidaci sacharidů vyjádřen tzv. následující rovnice:

С6Н12О6 + 6О → 6СО2 + 6Н2О + 2820 kJ

Počáteční fáze přeměny sacharidů až po vznik PVC je zcela identická s enzymatickými reakcemi oxidace sacharidů během fermentace.

V aerobních buňkách může být PVC zcela oxidováno v důsledku řady po sobě jdoucích reakcí. Kombinace těchto transformací tvoří cyklus nazývaný Krebsův cyklus nebo cyklus di- a trikarboxylových kyselin (CTC).

Vodík odebíraný dehydrogenázami v cyklu se přenáší do dýchacího řetězce enzymů, který u aerobů kromě NAD zahrnuje FAD, systém cytochromů a konečný akceptor vodíku, kyslík. Přenos vodíku po tomto řetězci je doprovázen tvorbou ATP.

První stupeň fosforylace je spojen s přenosem vodíku z primární dehydrogenázy na FAD. Druhá fosforylace nastává, když elektron přechází z cytochromu b na cytochrom, třetí - když je elektron převeden na kyslík. Na každé dva atomy vodíku (elektrony), které vstupují do dýchacího řetězce, se tedy syntetizují tři molekuly ATP. Tvorba ATP současně s procesem přenosu protonů a elektronů podél dýchacího řetězce enzymů se nazývá oxidativní fosforylace. V některých případech je elektron zahrnut do dýchacího řetězce na úrovni FAD nebo dokonce cytochromů. Současně se odpovídajícím způsobem snižuje počet syntetizovaných molekul ATP.

Celkový energetický výsledek oxidace 1 molu glukózy je 38 molekul ATP, z toho 24 při oxidaci PVC v Krebsově cyklu s přenosem vodíku do dýchacího řetězce enzymů. V této fázi je tedy uloženo hlavní množství energie. Je pozoruhodné, že Krebsův cyklus je univerzální, tzn. charakteristické pro prvoky, bakterie a buňky vyšších živočichů a rostlin.

Meziprodukty cyklu se částečně využívají k syntéze buněčné látky.

Oxidace živin není vždy úplná. Některé aeroby částečně oxidují organické sloučeniny, zatímco meziprodukty oxidace se hromadí v médiu.

Některé mikroorganismy v procesu dýchání nevyužívají jako konečný akceptor vodíku kyslík, ale oxidované sloučeniny dusíku (dusitany, dusičnany), chlor (chlorečnany a chloristany), síru (sírany, thiosíran siřičitan), uhlík (CO2), chrom (chromany). a bichromáty). Tento typ dýchání se nazývá anaerobní.

Mikroorganismy, které provádějí proces dýchání díky oxidovaným sloučeninám dusíku a chlóru, jsou fakultativní anaeroby. Mají dva enzymatické systémy, které jim umožňují přecházet z aerobního na anaerobní dýchání a naopak v závislosti na přítomnosti toho či onoho konečného akceptoru v prostředí.

Pokud jsou v médiu současně přítomny dusičnany a molekulární kyslík, použije se nejprve akceptor, který umožní získat více energie. Aerobní dýchání doprovází tři fosforylace, anaerobní - dvě. Pokud je však koncentrace kyslíku v prostředí nízká a koncentrace dusičnanů je mnohem vyšší, mikroorganismy používají dusičnany. Rozhodující podmínkou je v tomto případě volná energie redukční reakce akceptoru, která závisí na jeho koncentraci. Anaerobní dýchání pomocí dusičnanů se nazývá denitrifikace.

Oxidované sloučeniny síry, chrómu, uhlíku hrají roli konečných akceptorů pro různé typy mikroorganismů patřících k obligátním anaerobům.

U mikroorganismů redukujících sírany byl nalezen elektronový transportní řetězec, který zahrnuje několik enzymů, ale sekvence jejich působení zůstává nejasná.

Když jsou sírany použity jako konečný akceptor vodíku, mikroorganismy je redukují na sulfidy:

(organická hmota - donor vodíku) + SO4→H2S + 4H2O

Anaerobní dýchání pomocí oxidu uhličitého je doprovázeno tvorbou metanu.

Oxidace redukovaných minerálních sloučenin dusíku, síry a železa slouží jako zdroj energie pro chemolitotrofní mikroorganismy. Rozdělení chemolitotrofních mikroorganismů do skupin je založeno na specifičnosti každé skupiny s ohledem na oxidovatelnou sloučeninu. Existují nitrifikační bakterie, železité bakterie, bakterie, které oxidují sloučeniny síry.

Nitrifikační bakterie oxidují amonný dusík na dusičnany. Tento proces se nazývá nitrifikace a probíhá ve dvou fázích, z nichž každá je zodpovědná za své vlastní patogeny:

NH4+2O2→NO2+2H2O+557 kJ/mol (1)

2NO2+O2→2NO3+146 kJ/mol (2)

Oxidace amoniaku na dusitany s přenosem elektronů do dýchacího řetězce slouží jako energetický proces pro skupinu nitrosobakterií. Oxidace amonného dusíku je vícestupňový proces, při kterém jako meziprodukty vznikají hydroxylamin (NH2OH) a hypodusitan (NOH). Energetickým substrátem oxidovaným v dýchacím řetězci je hydroxylamin.

Železné bakterie (chemolithoautotrofy) nepředstavují jedinou taxonomickou jednotku. Tento termín kombinuje mikroorganismy, které oxidují redukované sloučeniny železa za účelem získání energie:

4FeCO3 + O2 + 6H2O→4Fe(OH)3 + 4CO2+ 167 kJ/mol (6,9)

Chinony a cytochromy se účastní transportu elektronů ze železnatého železa do kyslíku. Přenos elektronů je spojen s fosforylací.

Efektivita využití energie u těchto bakterií je tak nízká, že pro syntézu 1 g buněčné látky musí zoxidovat asi 500 g uhličitanu železa.

Bakterie, které oxidují sloučeniny síry a jsou schopné autotrofní asimilace CO2, patří do skupiny thionických bakterií. Energie pro konstruktivní metabolismus thionických bakterií se získává jako výsledek oxidace sulfidů, molekulární síry, thiosíranů a siřičitanů na sírany:

S2-+2O2→SO4+794 kJ/mol (6,10)

S0+H2O+1,5O2→H2SO4+ 585 kJ/mol (6,11)

S2O3+H2O+2O2→2SO4+2H+936 kJ/mol (6,12)

SO3 + 0,5O2→SO4 +251 kJ/mol (6,13)

Dýchací řetězec thionických bakterií obsahuje flavoproteiny, ubichinony, cytochromy.

Mechanismus asimilace CO2 pro konstruktivní účely u všech chemolitoautotrofů je podobný jako u fotosyntetických autotrofů využívajících vodu jako donor vodíku. Hlavní rozdíl je v tom, že během chemosyntézy se neuvolňuje žádný kyslík.

V buňce tedy současně probíhají konstruktivní a energetické procesy. U většiny prokaryot jsou blízce příbuzní. Metabolismus prokaryot, jak energetický, tak konstruktivní, je mimořádně rozmanitý, což je důsledkem schopnosti těchto forem života využívat nejširší spektrum organických a anorganických sloučenin jako zdroje energie a výchozí substráty pro stavbu tělesných látek.

Energetický metabolismus jako celek je spojen s biosyntetickými a jinými energeticky závislými procesy probíhajícími v buňce, k jejichž průběhu dodává energii, redukční činidlo a potřebné intermediární metabolity. Konjugace dvou typů buněčného metabolismu nevylučuje nějakou změnu v jejich relativním měřítku v závislosti na konkrétních podmínkách.

Energetické procesy prokaryot svým objemem (měřítkem) výrazně převyšují procesy biosyntetické a jejich průběh vede k výrazným změnám prostředí. Rozmanité a neobvyklé jsou v tomto ohledu možnosti prokaryot, způsoby jejich energetické existence. To vše dohromady zaměřilo pozornost vědců především na studium energetického metabolismu prokaryot.

1. Bakulov I. A. "Energetický metabolismus prokaryot" / Veterinární /, 2006 č. 1 s. 38.

2. Bailey, J. E, Ollis, David F Základy biochemického inženýrství. M.1989.

3. Vorobjov A.A. a kol. Mikrobiologie. M.: Medicína. 1994.

4. Gusev M.V., Mineeva L.A. Mikrobiologie: Učebnice. M.: Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1992.

5. Emelianenko P.A. a kol. Veterinární mikrobiologie. M.: Kolos. 1982.

6. Koleshko O.I. Mikrobiologie. M.: Vyšší škola. 1982.

7. Mishustin E.N., Emtsev V.T. Mikrobiologie. M.: Kolos.1978.

8. Radchuk N.A. Veterinární mikrobiologie a imunologie. Moskva: Agropromizdat. 1991

9. N. A. Sudakov „Metabolismus a energie“ / Veterinář / 2003 č. 5 s. 26.

10. V. N. Syurin “Konstruktivní metabolismus bakterií” / Praktik / 2005 č. 4 str. 12.

11. Schlegel G. Obecná mikrobiologie. M.: Mir.1987.