Peatükk 8. Sissejuhatus ainevahetusse Ainevahetus ehk ainevahetus on organismis toimuvate keemiliste reaktsioonide kogum, mis varustab seda eluks vajalike ainete ja energiaga. Ainevahetusprotsess, millega kaasneb lihtsamate moodustumine

Fruktoosi metabolism Märkimisväärne kogus fruktoosi, mis tekib sahharoosi lagunemisel, muundub glükoosiks juba soolerakkudes enne portaalveeni süsteemi sisenemist. Teine osa fruktoosist imendub kandevalgu abil, s.o. läbi

Galaktoosi metabolism Galaktoos tekib soolestikus laktoosi hüdrolüüsi tulemusena.Galaktoosi metabolismi rikkumine avaldub päriliku haiguse - galaktoseemiaga. See on ensüümi kaasasündinud defekti tagajärg

Laktoosi metabolism Laktoos, disahhariid, mida leidub ainult piimas, koosneb galaktoosist ja glükoosist. Laktoosi sünteesivad imetamise ajal ainult imetajate näärmete sekretoorsed rakud. Seda leidub piimas olenevalt tüübist 2–6%.

22. peatükk Ateroskleroosi biokeemia Kolesterool on steroid, mida leidub ainult loomsetes organismides. Selle peamine tekkekoht inimkehas on maks, kus sünteesitakse 50% kolesteroolist, 15-20% moodustub peensooles, ülejäänu

Peatükk 25. Üksikute aminohapete metabolism Metioniini metabolism Metioniin on asendamatu aminohape. Metioniini metüülrühm on liikuv ühest süsinikust koosnev fragment, mida kasutatakse mitmete ühendite sünteesiks. Metioniini metüülrühma ülekandmine vastavasse rühma

Metioniini metabolism Metioniin on asendamatu aminohape. Metioniini metüülrühm on liikuv ühest süsinikust koosnev fragment, mida kasutatakse mitmete ühendite sünteesiks. Metioniini metüülrühma ülekandmist sobivasse aktseptorisse nimetatakse transmetüleerimiseks,

Fenüülalaniini ja türosiini metabolism Fenüülalaniin on asendamatu aminohape, kuna selle benseenitsüklit loomarakkudes ei sünteesita. Metioniini metabolism toimub kahel viisil: see sisaldub valkudes või muundatakse türosiiniks spetsiifilise aine toimel.

Bakterite kasv on bakteriraku suuruse suurenemine, suurendamata populatsiooni isendite arvu.

Bakterite paljunemine on protsess, mis tagab populatsioonis isendite arvu suurenemise. Baktereid iseloomustab kõrge paljunemiskiirus.

Kasv eelneb alati paljunemisele. Bakterid paljunevad põiki binaarse lõhustumise teel, mille käigus ühest emarakust moodustub kaks identset tütarrakku.

Bakterirakkude jagunemise protsess algab kromosomaalse DNA replikatsiooniga. Kromosoomi kinnituspunktis tsütoplasma membraaniga (replikaatorpunkt) toimib initsiaatorvalk, mis põhjustab kromosoomirõnga purunemise ja seejärel despiraliseeritakse selle niidid. Filamendid rulluvad lahti ja teine ​​filament kinnitub tsütoplasma membraanile proreplikaatoripunktis, mis on replikaatoripunktiga diametraalselt vastupidine. DNA polümeraaside tõttu valmib iga ahela maatriksis selle täpne koopia. Geneetilise materjali kahekordistumine on signaal organellide arvu kahekordistamiseks. Vaheseina mesosoomides ehitatakse vahesein, mis jagab raku pooleks.

Kaheahelaline DNA spiraalib, keerdub tsütoplasmaatilise membraani kinnituskohas rõngaks. See on signaal rakkude lahknemisest piki vaheseina. Moodustatakse kaks tütarisendit.

Tihedal toitekeskkonnal moodustavad bakterid rakkude kobaraid - kolooniaid, erineva suuruse, kuju, pinna, värvi jne. Vedelal söötmel iseloomustab bakterite kasvu kile teke toitekeskkonna pinnal, ühtlane hägusus või sete.

Bakterite paljunemise määrab tekkeaeg. See on periood, mille jooksul toimub rakkude jagunemine. Põlvnemise kestus sõltub bakterite tüübist, vanusest, toitekeskkonna koostisest, temperatuurist jne.

Bakteriraku paljunemise faasid vedelal toitainekeskkonnal:

1) esialgne statsionaarne faas; toitekeskkonda sattunud ja selles sisalduvate bakterite arv;

2) viivitusfaas (puhkefaas); kestus - 3-4 tundi, bakterid kohanevad toitainekeskkonnaga, algab aktiivne rakkude kasv, kuid aktiivset paljunemist veel ei toimu; sel ajal suureneb valgu, RNA kogus;

3) logaritmilise korrutamise faas; rakkude paljunemise protsessid populatsioonis toimuvad aktiivselt, paljunemine domineerib surma üle;

4) maksimaalne statsionaarne faas; bakterid saavutavad maksimaalse kontsentratsiooni, st maksimaalse elujõuliste isendite arvu populatsioonis; surnud bakterite arv on võrdne moodustunud bakterite arvuga; isendite arvu edasist kasvu ei toimu;

5) kiirendatud surmafaas; surmaprotsessid prevaleerivad paljunemisprotsessi üle, kuna toitainete substraadid keskkonnas on ammendunud. Kogunevad mürgised tooted, ainevahetusproduktid. Seda faasi saab vältida voolukultuuri meetodil: ainevahetusproduktid eemaldatakse pidevalt toitainekeskkonnast ja toitaineid täiendatakse.

Toitumise all mõistetakse toitainete rakku sisenemise ja sealt väljumise protsesse. Toitumine tagab eelkõige raku paljunemise ja ainevahetuse.

Vajalike toitainete hulgas eristatakse organogeene - need on kaheksa keemilist elementi, mille kontsentratsioon bakterirakus ületab 10-4 mol. Nende hulka kuuluvad süsinik, hapnik, vesinik, lämmastik, fosfor, kaalium, magneesium, kaltsium.

Lisaks organogeenidele on vaja mikroelemente. Nad tagavad ensüümi aktiivsuse. Need on tsink, mangaan, molübdeen, koobalt, vask, nikkel, volfram, naatrium, kloor.

Bakteritel on toitainete saamiseks mitmesuguseid allikaid.

Sõltuvalt süsiniku tootmise allikast jagunevad bakterid:

1) autotroofid (kasutada anorgaanilisi aineid - CO2);

2) heterotroofid;

3) metatroofid (kasutada eluta looduse orgaanilist ainet);

4) paratroofid (kasutavad eluslooduse orgaanilisi aineid).

Toitumisprotsessid peavad tagama bakteriraku energiavajaduse.

Vastavalt energiaallikatele jagunevad mikroorganismid:

1) fototroofid (võimelised kasutama päikeseenergiat);

2) kemotroofid (saavad energiat redoksreaktsioonide kaudu);

3) kemolitotroofid (kasutada anorgaanilisi ühendeid);

4) kemoorganotroofid (kasutavad orgaanilist ainet).

Bakterite kasvufaktorid on vitamiinid, aminohapped, puriin- ja pürimidiinialused, mille olemasolu kiirendab kasvu.

Bakterite hulka kuuluvad:

1) prototroofid (nad suudavad ise sünteesida vajalikke aineid väheorganiseerunud ainetest);

2) auksotroofid (nad on geenid kaotanud prototroofide mutandid; nad vastutavad teatud ainete - vitamiinide, aminohapete - sünteesi eest, seetõttu vajavad nad neid aineid valmis kujul).

Mikroorganismid assimileerivad toitaineid väikeste molekulide kujul, seetõttu saavad valgud, polüsahhariidid ja muud biopolümeerid olla toiduallikaks alles pärast seda, kui need on eksoensüümide abil lagundanud lihtsamateks ühenditeks.

Metaboliidid ja ioonid sisenevad mikroobirakku mitmel viisil.

Metaboliitide ja ioonide sisenemise viisid mikroobirakku.

1. Passiivne transport (ilma energiakuludeta):

1) lihtdifusioon;

2) hõlbustatud difusioon (mööda kontsentratsioonigradienti, kandevalkude abil).

2. Aktiivne transport (energia kuluga, kontsentratsioonigradiendi vastu; sellisel juhul interakteerub substraat kandevalguga tsütoplasmaatilise membraani pinnal).

On olemas aktiivse transpordi modifitseeritud variandid - keemiliste rühmade ülekandmine. Fosforüülitud ensüümid toimivad kandevalkudena, seega kandub substraat üle fosforüülitud kujul. Sellist keemilise rühma ülekandmist nimetatakse translokatsiooniks.

Bakterite ainevahetuse tunnused:

1) kasutatavate substraatide mitmekesisus;

2) ainevahetusprotsesside intensiivsus;

4) lagunemisprotsesside ülekaal sünteesiprotsesside üle;

5) metabolismi ekso- ja endoensüümide olemasolu.

Ainevahetuse protsessis on kahte tüüpi ainevahetust:

1) plastik (konstruktiivne):

a) anabolism (koos energiakuludega);

b) katabolism (koos energia vabanemisega);

2) energia metabolism (toimub hingamisteede mesosoomides):

a) hingamine

b) kääritamine.

Sõltuvalt prootonite ja elektronide vastuvõtjast bakterite hulgas eristatakse aeroobe, fakultatiivseid anaeroobe ja kohustuslikke anaeroobe. Aeroobide puhul on aktseptoriks hapnik. Fakultatiivsed anaeroobid hapniku tingimustes kasutavad hingamisprotsessi, anoksilistes tingimustes - fermentatsiooni. Kohustuslikele anaeroobidele on iseloomulik ainult käärimine, hapniku tingimustes toimub peroksiidide moodustumise tõttu mikroorganismi surm ja tekib rakkude mürgistus.

Mikroobirakus on ensüümid bioloogilised katalüsaatorid. Struktuuri järgi eristatakse:

1) lihtsad ensüümid (valgud);

2) kompleks; koosneb valkudest (aktiivne keskus) ja mittevalguosadest; vajalik ensüümi aktiveerimiseks.

Samuti on olemas:

1) konstitutiivsed ensüümid (neid sünteesitakse pidevalt sõltumata substraadi olemasolust);

2) indutseeritavad ensüümid (sünteesitakse ainult substraadi juuresolekul).

Ensüümide komplekt rakus on liigi jaoks rangelt individuaalne. Mikroorganismi võime kasutada substraate oma ensüümide komplekti kaudu määrab selle biokeemilised omadused.

Vastavalt tegevuskohale on:

1) eksoensüümid (toimivad väljaspool rakku; osalevad suurte molekulide lagunemise protsessis, mis ei suuda tungida bakteriraku sisse; omane grampositiivsetele bakteritele);

2) endoensüümid (toimivad rakus endas, tagavad erinevate ainete sünteesi ja lagundamise).

Sõltuvalt katalüüsitavatest keemilistest reaktsioonidest jagatakse kõik ensüümid kuue klassi:

1) oksidoreduktaasid (katalüüsivad redoksreaktsioone kahe substraadi vahel);

2) transferaasid (viivad läbi keemiliste rühmade molekulidevahelist ülekannet);

3) hüdrolaasid (teostavad molekulisiseste sidemete hüdrolüütilist lõhustamist);

4) lüaasid (kinnitavad keemilisi rühmi kahe sidemega ja viivad läbi ka pöördreaktsioone);

5) isomeraasid (viivad läbi isomerisatsiooniprotsesse, tagavad sisemise konversiooni erinevate isomeeride moodustumisega);

6) ligaasid ehk süntetaasid (ühendavad kaks molekuli, mille tulemuseks on pürofosfaatsidemete lõhenemine ATP molekulis).

Peamised plastivahetuse tüübid on:

1) valk;

2) süsivesikuid;

3) lipiid;

4) nukleiinsed.

Valkude metabolismi iseloomustab katabolism ja anabolism. Katabolismi protsessis lagundavad bakterid proteaaside toimel valke peptiidide moodustumisega. Aminohapped moodustuvad peptiididest peptidaaside toimel.

Valkude lagunemist aeroobsetes tingimustes nimetatakse hõõgumiseks ja anaeroobsetes tingimustes lagunemiseks.

Aminohapete lagunemise tulemusena saab rakk oma aminohapete tekkeks vajalikke ammooniumiioone. Bakterirakud on võimelised sünteesima kõiki 20 aminohapet. Nende hulgas on juhtivad alaniin, glutamiin, asparagiin. Nad osalevad transamineerimise ja transamineerimise protsessides. Valkude ainevahetuses domineerivad sünteesiprotsessid lagunemise üle, samas kui toimub energiakulu.

Süsivesikute ainevahetuses bakterites domineerib katabolism anabolismi üle. Väliskeskkonna komplekssüsivesikuid suudavad lagundada vaid need bakterid, mis eritavad ensüüme – polüsahharidaase. Polüsahhariidid lagunevad disahhariidideks, mis oligosahharidaaside toimel lagunevad monosahhariidideks ja rakku pääseb ainult glükoos. Osa sellest läheb rakus oma polüsahhariidide sünteesiks, teine ​​osa läbib edasise lõhustamise, mis võib toimuda kahel viisil: mööda süsivesikute anaeroobse lagunemise teed - fermentatsiooni (glükolüüsi) ja aeroobsetes tingimustes - mööda rada. põlemisest.

Sõltuvalt lõpptoodetest eristatakse järgmisi kääritamistüüpe:

1) alkohol (tüüpiline seentele);

2) propioonhape (tüüpiline klostriididele, propioonbakteritele);

3) piimhape (tüüpiline streptokokkidele);

4) võihape (tüüpiline sarksiinile);

5) butüüldenglükool (tüüpiline batsillidele).

Koos peamise anaeroobse lagunemisega (glükolüüs) võivad süsivesikute (pentoosfosfaat, ketodeoksüfosfoglükonaat jne) lagundamiseks olla ka abiteed. Need erinevad peamiste toodete ja reaktsioonide poolest.

Lipiidide metabolism toimub ensüümide - lipoproteinaaside, letsitinaaside, lipaaside, fosfolipaaside - abil.

Lipaasid katalüüsivad neutraalsete rasvhapete lagunemist, see tähendab, et nad vastutavad nende hapete lõhustamise eest glütseroolist. Rasvhapete lagundamisel salvestab rakk energiat. Lõplik lagunemissaadus on atsetüül-CoA.

Lipiidide biosünteesi viivad läbi atsetüüli kandvad valgud. Sel juhul läheb atsetüüljääk glütserofosfaadiks fosfatiidhapete moodustumisega ja nad juba astuvad keemilistesse reaktsioonidesse estrite moodustumisega alkoholidega. Need transformatsioonid on fosfolipiidide sünteesi aluseks.

Bakterid on võimelised sünteesima nii küllastunud kui ka küllastumata rasvhappeid, kuid viimaste süntees on iseloomulikum aeroobidele, kuna selleks on vaja hapnikku.

Bakterite nukleaarne metabolism on seotud geneetilise ainevahetusega. Nukleiinhapete süntees on oluline rakkude jagunemise protsessi jaoks. Süntees viiakse läbi ensüümide abil: restriktsiooniensüüm, DNA polümeraas, ligaas, DNA-sõltuv RNA polümeraas.

Restriktsiooniensüümid lõikavad välja DNA lõigud, eemaldades soovimatud sisestused, ja ligaasid tagavad nukleiinhappefragmentide ristsidestamise. DNA polümeraasid vastutavad tütar-DNA replikatsiooni eest piki ema DNA-d. DNA-sõltuvad RNA polümeraasid vastutavad transkriptsiooni eest ja ehitavad RNA üles DNA matriitsile.

Mikroorganismide keeruliste metaboolsete protsesside mõistmiseks on vaja arvestada mikroobiraku keemilist koostist ja selles sisalduvat ensüümide arsenali.

Mikroobirakkude keemiline koostis.

Mikroobirakkude keemiline koostis on sama, mis kõrgematel taimedel. Need sisaldavad 75-85% vett ja 15-25% kuivainet kogu raku massist.

Vesi on raku vajalik komponent – ​​selles toimuvad keemilised protsessid, mineraalid lahustuvad ja komplekssed orgaanilised ained – valgud, süsivesikud, rasvad – lagunevad. Valgud ja nukleiinhapped on rakkude paljunemisel ja kasvul kõige olulisemad. Süsivesikuid leidub märkimisväärses koguses pärmi- ja seente rakkudes. Need on polüsahhariidid - glükogeen, dekstriin, glükoos. Bakterirakkudes on vähe süsivesikuid.

Rasvu ja rasvataolisi aineid (lipiide) leidub peamiselt tsütoplasma pinnakihis. Lipiidid moodustavad keskmiselt 3-7% raku kuivainest (tubercle bacillus - 20-40%, Endomyces - 50-60%).

Mineraalaineid leidub mikroorganismide rakkudes väikestes kogustes (ainult 3-10%), kuid nende roll on suur – need mõjutavad keemiliste reaktsioonide kiirust ja suunda. Neist olulisemad on kaalium, magneesium, kaltsium, raud jne. Valkude, rasvade, süsivesikute ja mineraalainete sisaldus rakkudes oleneb mikroorganismi tüübist ja selle olemasolu tingimustest.

mikroobirakkude ensüümid.

Ensüümid on keerulised orgaanilised ained, mis katalüüsivad keemilisi reaktsioone. Rakud toodavad (toodavad) neid füsioloogiliste protsesside läbiviimiseks. Rakk võib sisaldada palju ensüüme (näiteks seenel Aspergillus on neid umbes 50), nii et üheaegselt võivad toimuda mitmesugused keemilised reaktsioonid. Kõige tavalisemad mikroorganismide toodetud ensüümid on karbohüdraasid ja proteaasid.

Karbohüdraasid - lagundavad tärklist, kiudaineid ja muid polüsahhariide vee osalusel. Nende hulka kuuluvad amülaasid (lagustab tärklise lihtsüsivesikuteks), maltaas (lagustab süsivesikute maltoosi), lipaas (hüdrolüüsib rasvu ja õlisid, moodustades rasvhappeid). Need ensüümid sisaldavad enamikku mikroorganisme.

Proteaasid katalüüsivad valkude ja polüpeptiidide lagunemist. Neid ensüüme toodavad putrefaktiivsed bakterid, hallitusseened, aktinomütseedid.

Igal ensüümil on spetsiifiline toime, see tähendab, et see suudab lõhustada ainult teatud ühendeid. Lisaks on iga ensüümi toime jaoks olulised punktid temperatuuri, pH ja muude tingimuste suhtes.

Ainevahetus.

Iga elusrakk vajab pidevat energia juurdevoolu – ta saab selle energia ainevahetuse käigus. Ainevahetus (ainevahetus) on kõigi rakus selle elu jooksul toimuvate keemiliste reaktsioonide kogum.

Ainevahetus toimub kahes põhisuunas.

Üks neist on hoonevahetus. See on vajalik elavale rakule biosünteetiliseks tegevuseks, st raku ehitamiseks, kulunud osade asendamiseks, kasvuks ja paljunemiseks. Vajaliku ehitusmaterjali saab rakk väljast tuleva toiduna. Toitained sisenevad mikroobirakku kahel viisil. Esimene on väliskeskkonnast pärit toitainete osmoos (difusioon), kus nende kontsentratsioon on suurem kui rakus. Käivitav jõud on sel juhul raku ja väliskeskkonna osmootse rõhu erinevus. Teine viis on toitainete aktiivne ülekandmine rakku spetsiaalsete ensüümide abil. Mõlemal juhul tungivad toitained läbi rakumembraani raku tsütoplasmasse. Toitumisprotsess on mikroobiraku kõige olulisem füsioloogiline funktsioon. Toitumisprotsessi olemus seisneb selles, et rakuensüümide toimel lagunevad kõrgmolekulaarsed orgaanilised ühendid madalmolekulaarseteks: suhkrud, aminohapped, orgaanilised happed ja neist sünteesitakse mikroorganismi raku enda ained: tsütoplasma, rakusein, nukleiinhapped jne.

Lisaks biosünteetilise aktiivsuse ülesehitamiseks vajalikele toitainetele vajab rakk energiat. Seetõttu on mikroorganismide ainevahetuse teine ​​pool energia metabolism ehk raku varustamine energiaga. Mikroorganismid saavad energiat orgaaniliste ainete (süsivesikute, rasvade ja muude energiamaterjalide) oksüdeerimisel hingamise käigus, mis on väga oluline füsioloogiline funktsioon. Erinevates organismides kulgeb hingamisprotsess erinevalt sõltuvalt nende suhetest hapnikuga. Seega kasutavad aeroobid gaasilist hapnikku ja saavad energiat orgaanilise aine oksüdeerimisel (hingamisel). See on võimalik teatud ensüümide - tsütokroomide - aeroobide esinemise tõttu rakkudes. Anaeroobides need ensüümid puuduvad ja energia saamise protsess toimub ilma hapniku osaluseta. Seoses hapnikuga jagunevad anaeroobid kolme rühma. Ranged anaeroobid (näiteks võihappebakterid) ei saa hapniku juuresolekul üldse elada. Nad saavad energiat konjugeeritud oksüdatsiooni teel – substraadi redutseerimisel (näiteks käärimisprotsessid). Fakultatiivsed anaeroobid (mitte ranged) kasutavad seda hapniku juuresolekul oksüdatiivseteks protsessideks (hingamiseks) ja selle puudumisel saavad nad energiat ilma hapniku (pärm) osaluseta.

Anaeroobide oksüdatiivsed protsessid seisnevad vesiniku eemaldamises oksüdeeritud ühendist (dehüdrogeenimine). Vesinik liitub teiste ainetega (vesiniku aktseptoritega). Seda hapnikuvaba hingamise protsessi nimetatakse kääritamine. Energeetiline fermentatsioonimaterjal on suure energiavaruga ained.

Seega tarbib rakk toitaineid kahes suunas: kehaainete sünteesiks ja organismi energiaga varustamiseks. Toitumise ja hingamise protsessid on omavahel tihedalt seotud ja rakud teostavad neid samaaegselt. Nad tagavad kõik raku elutähtsad funktsioonid. Saadud ainevahetusproduktid vabanevad rakust väliskeskkonda. Metabolism on näidatud alloleval skeemil 1.

Skeem 1. Ainevahetus mikroorganismides.

Toitumise tüübi järgi jagunevad mikroobid kahte rühma: autotroofid ja heterotroofid.

Autotroofid- mikroorganismid, mis sünteesivad oma keha aineid anorgaanilistest elementidest. Selle sünteesi teed võivad olla erinevad. Mõned mikroorganismid, näiteks lillad väävlibakterid, nagu rohelised taimed, kasutavad fotosünteesi, kuid teised ained mängivad neis klorofülli rolli. Muu energia nende sünteetiliste protsesside jaoks saadakse redoksreaktsioonide käigus. Sel juhul toimivad anorgaanilised ained elektronide doonoritena ja süsinikdioksiid süsinikuallikana.

Heterotroofid- need on mikroorganismid, mis vajavad valmis orgaanilisi ühendeid, kasutades süsinikuallikana süsivesikuid, alkohole ja orgaanilisi happeid ning lämmastikuallikana valke ja nende lagunemissaadusi. Valdav enamus bakteritest, pärm- ja hallitusseentest on heterotroofid.

Mikroorganismide ainevahetus (ainevahetus).

Mikroobide toitumine (konstruktiivne ainevahetus).

Nagu kõigi elusolendite, koosneb ka mikroorganismide ainevahetus kahest omavahel seotud, samaaegselt toimuvast, kuid vastandlikust protsessist – anabolismist ehk konstruktiivsest ainevahetusest ja katabolismist ehk energiavahetusest.

Mikroorganismide ainevahetusel on oma eripärad.

1) Ainevahetusprotsesside kiirus ja intensiivsus. Päeva jooksul suudab mikroobirakk töödelda sellise koguse toitaineid, mis ületab tema enda massi 30-40 korda.

2) Väljendatud kohanemisvõime muutuvate keskkonnatingimustega.

3) Toitumine toimub läbi kogu raku pinna. Prokarüootid ei võta toitaineid sisse, ei seedi neid raku sees, vaid lagundavad need rakust väljas eksoensüümide abil lihtsamateks ühenditeks, mis kanduvad rakku.

Mikroorganismide kasvuks ja elutegevuseks on rakukomponentide ja energiaallikate ehitamiseks vajalike toitainete olemasolu elupaigas kohustuslik. Mikroobid vajavad vett, süsiniku, hapniku, lämmastiku, vesiniku, fosfori, kaaliumi, naatriumi ja muid elemente. Vajalikud on ka mikroelemendid: raud, mangaan, tsink, vask ensüümide sünteesiks. Erinevat tüüpi mikroobid vajavad teatud kasvufaktoreid, nagu vitamiinid, aminohapped, puriini- ja pürimidiini alused.

Sõltuvalt võimest assimileerida orgaanilisi või mitteorgaanilisi süsiniku ja lämmastiku allikaid jaotatakse mikroorganismid

kahte rühma - autotroofid ja heterotroofid.

Autotroofid (kreeka autos – ise, trophic – söömine) saavad süsinikku süsihappegaasist (CO 2) või selle sooladest. Lihtsatest anorgaanilistest ühenditest sünteesivad nad valke, rasvu, süsivesikuid, ensüüme.

Toitainete transport

Prokarüootsesse rakku tungivad läbi rakuseina ja tsütoplasma membraani vaid väikesed molekulid, mistõttu valgud, polüsahhariidid ja muud biopolümeerid lõhustuvad esmalt eksoensüümide toimel lihtsamateks ühenditeks, mis transporditakse rakku.

Toitainete tungimine rakku toimub erinevate mehhanismide abil.

Passiivne difusioon - ained sisenevad rakku difusiooni tõttu piki kontsentratsioonigradienti, see tähendab, et kontsentratsioon väljaspool rakku on kõrgem kui sees.

Hõlbustatud difusioon - toimub ka piki kontsentratsioonigradienti, kuid kandeensüümide, nn permeaaside, osalusel. See ensüüm seob tsütoplasmaatilise membraani välisküljel enda külge aine molekule ja annab selle muutumatul kujul ära sisemiselt. Seejärel liigub vaba kandja uuesti membraani välisküljele, kus seob uusi aine molekule. Lisaks kannab iga permeaas kindlat ainet.

Need kaks ülekandemehhanismi ei nõua energiakulusid.

Aktiivne ülekanne toimub ka permeaaside osalusel ja toimub kontsentratsiooni gradiendi vastu. Mikroobirakk võib akumuleerida ainet tuhandeid kordi suuremas kontsentratsioonis kui väliskeskkonnas. Selline protsess nõuab energiat, see tähendab ATP-d.

Radikaalide translokatsioon on neljas ainete ülekandemehhanism. See on keemiliselt modifitseeritud molekulide aktiivne ülekanne permeaaside osalusel. Näiteks sellist lihtsat ainet nagu glükoos transporditakse fosforüülitud kujul.

Ainete vabanemine bakterirakust toimub passiivse difusiooni või hõlbustatud difusiooni teel permeaaside osalusel.

Ensüümid

Ensüümid on bioloogiliste protsesside katalüsaatorid. Ensüümide iseloomulik omadus on nende spetsiifilisus. Iga ensüüm osaleb ainult konkreetses reaktsioonis konkreetse keemilise ühendiga.

Ensüüme, mida bakterirakk eritab keskkonda ja teostab rakuvälist seedimist, nimetatakse eksoensüümideks. Eksoensüümide hulka kuuluvad ka beetalaktamaas, mis hävitab penitsilliini ja teisi beetalaktaamantibiootikume, kaitstes baktereid nende toime eest.

Endoensüümid osalevad rakusiseste ainevahetusprotsessides.

Baktereid oma väiksuse tõttu iseloomustab ensüümide tootmise kõrge iseregulatsioon. Sellega seoses võib ensüümid jagada konstitutiivseteks ja adaptiivseteks. Rakk toodab pidevalt konstitutiivseid ensüüme. Adaptiivsed ensüümid jagunevad omakorda indutseeritavateks ja inhibeeritavateks. Indutseeritavate ensüümide tootmine toimub substraadi juuresolekul. Näiteks laktoosi lagundavad ensüümid tekivad rakus ainult selle süsivesiku juuresolekul. Inhibeeritud ensüümide tootmist pärsib seevastu piisavalt kõrge lõppsubstraadi kontsentratsioon söötmes (näiteks trüptofaan).

Paljud patogeensed bakterid eritavad lisaks metaboolsetele ensüümidele ensüüme, mis on virulentsusfaktorid. Näiteks sellised ensüümid nagu hüaluronidaas, kollagenaas, desoksüribonukleaas, neuraminidaas aitavad kaasa patogeense mikroobi tungimisele ja levikule organismis.

Bakterite võime toota teatud ensüüme on nii konstantne omadus, et seda kasutatakse identifitseerimiseks, st bakterite tüübi määramiseks. Määratakse sahharolüütilised omadused (süsivesikute käärimine) ja proteolüütilised omadused (valkude ja peptooni kääritamine).

Mikroobe iseloomustab kõrge ensümaatiline aktiivsus. Seda kasutatakse tööstuses. Meditsiinis kasutatakse selliseid raviaineid nagu streptokinaas (streptokoki fibrinolüsiin), terrilitiin (Aspergillus terricola proteaas). Mikroobse päritoluga ensüümid - lipaasid ja proteaasid, mis kuuluvad pesuvahendite ja pesupulbrite koostisse, lagundavad valkude ja rasvade saasteained vees lahustuvateks aineteks, mis on veega kergesti mahapestavad.

Bioloogiline oksüdatsioon (energia metabolism)

Bioloogilise oksüdatsiooni protsess annab raku eluks vajaliku energia. Protsessi olemus seisneb substraatide järjestikuses oksüdeerimises koos energia järkjärgulise vabanemisega. Energiat hoitakse ATP molekulides.

Süsivesikud, alkoholid, orgaanilised happed, rasvad ja muud ained läbivad oksüdatsiooni. Kuid enamiku mikroorganismide jaoks on energiaallikaks heksoosid, eriti glükoos.

Mikroorganismidel on kahte tüüpi bioloogilist oksüdatsiooni: aeroobset ja anaeroobset. Aeroobse tüübi puhul on kaasatud hapnik ja seda protsessi nimetatakse hingamiseks selle sõna otseses tähenduses. Bioloogilise oksüdatsiooni anaeroobse tüübi korral toimub energia vabanemine orgaanilistest molekulidest ilma hapniku osaluseta ja seda nimetatakse kääritamiseks.

Glükoosi anaeroobse lagunemise algstaadium koos püroviinamarihappe (PVA) moodustumisega toimub samal viisil. See

hape on keskne punkt, millest hingamisteed ja mitmed käärimisviisid lahknevad.

Aeroobsel hingamisel siseneb püroviinamarihape trikarboksüülhappe tsüklisse. Vesinik PVC siseneb hingamisahelasse. See on oksüdatiivsete ensüümide ahel (tsütokroomid ja tsütokroomoksüdaas). Vesinik kandub mööda tsütokroomide ahelat ja ühendab tsütokroom oksüdaasi toimel aktiveeritud hapniku vee moodustumisega. Glükoosi aeroobse oksüdatsiooni lõpp-produktideks on süsihappegaas (süsinikhape) ja vesi. Hingamisprotsessis moodustub glükoosimolekuli kohta 38 ATP molekuli.

Bioloogilise oksüdatsiooni anaeroobse tüübi puhul tekib energia kääritamise tulemusena. Alkohoolse kääritamise käigus muudetakse PVC lõpuks alkoholiks ja süsinikdioksiidiks. Piimhappekäärimise lõpp-produkt on piimhape, võihappekäärimisel võihape. Fermentatsiooniprotsesside käigus moodustub glükoosimolekuli kohta ainult 2 ATP molekuli.

Fermentatsiooni mikroobse olemuse avastas ja tõestas esmakordselt Pasteur. Võikääritamist uurides puutus Pasteur esmakordselt kokku hapnikuta elu võimalusega, see tähendab anaerobioosiga. Ta tuvastas ka nähtuse, mida hiljem hakati nimetama "Pasteuri efektiks": käärimisprotsessi seiskumine hapniku laialdase juurdepääsuga.

Anaerobioos eksisteerib ainult prokarüootide seas. Kõik mikroorganismid jagunevad hingamistüübi järgi järgmistesse rühmadesse: kohustuslikud aeroobid, kohustuslikud anaeroobid, fakultatiivsed anaeroobid, mikroaerofiilid.

Kohustuslikud aeroobid paljunevad ainult vaba hapniku juuresolekul. Nende hulka kuuluvad Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae, imeline võlukepp. ,

Kohustuslikud või ranged anaeroobid saavad energiat hapniku juurdepääsu puudumisel. Neil on mittetäielik redoksensüümide komplekt, neil puudub tsütokroomsüsteem, mistõttu nad ei oksüdeeri substraati (glükoosi) täielikult lõpptoodeteks - CO 2 ja H 2 O. Pealegi on vaba hapniku juuresolekul toksiline. ühendid: vesinikperoksiid H 2 O 2 ja vaba hapnikuperoksiidi radikaal O 2. Samal ajal aeroobid ei sure, kuna toodavad ensüüme, mis hävitavad neid toksilisi ühendeid (superoksiiddismutaas ja katalaas). Eosed moodustavad anaeroobid sellistes tingimustes peatavad paljunemise ja muutuvad eosteks. Spoore mittemoodustavad anaeroobid surevad isegi lühiajalisel kokkupuutel hapnikuga.

Kohustuslike spoore moodustavate anaeroobide hulka kuuluvad teetanuse klostriidid, botulism, anaeroobne haavainfektsioon; mitteeoseid moodustavatele anaeroobidele – bakterioididele, peptobakteritele, bifidumbakteritele.

Enamik patogeenseid baktereid on fakultatiivsed (tingimuslikud) anaeroobid, näiteks enterobakterid. Neil on täielik ensüümide komplekt ja neil on laialdane juurdepääs hapnikule, mis oksüdeerivad glükoosi lõpptoodeteks; madala hapnikusisaldusega põhjustavad nad käärimist.

Mikroaerofiilid paljunevad väikese koguse hapniku juuresolekul. Näiteks kampülobakter võib paljuneda 3-6% hapnikus.

Mikroorganismide kasv ja paljunemine

Mõiste "kasv" tähistab üksiku isendi suuruse suurenemist ja "paljunemine" - populatsiooni isendite arvu suurenemist.

Bakterid paljunevad binaarse lõhustumise teel pooleks, harvem pungudes. Gram-positiivsetel bakteritel moodustub rakuseinast ja tsütoplasmaatilisest membraanist vahesein, mis kasvab sissepoole. Gramnegatiivsetes bakterites moodustub ahenemine ja seejärel rakk jaguneb kaheks isendiks.

Rakkude jagunemisele eelneb poolkonservatiivse tüübi järgi bakterikromosoomi replikatsioon. Sel juhul rullub lahti kaheahelaline DNA ahel, iga ahel täiendatakse komplementaarse ahelaga ja selle tulemusena saab iga tütarrakk ühe vanemahela ja ühe äsja moodustunud ahela.

Erinevat tüüpi bakterite paljunemise kiirus on erinev. Enamik baktereid jaguneb iga 15-30 minuti järel. Mycobacterium tuberculosis jaguneb aeglaselt - üks jagunemine 18 tunniga, spiroheedid - üks jagunemine 10 tunniga.

Kui külvata bakterid teatud mahuga vedelasse toitekeskkonda ja seejärel võtta iga tund proov ja määrata elusbakterite arv sellises suletud keskkonnas ning koostada graafik, millele on kantud piki abstsisstellge aeg tundides, ja arvu log-rütm piki ordinaattelge elavad bakterid, saame bakterite kasvukõvera. Bakterite kasv jaguneb mitmeks faasiks (joonis 5):

1) latentne faas (lag faas) - bakterid kohanevad toitainekeskkonnaga, nende arv ei suurene;

2) logaritmilise kasvu faas - bakterite arv suureneb eksponentsiaalselt;

3) statsionaarse kasvu faas, mille käigus uute moodustunud bakterite arv võrdsustub surnud bakterite arvuga ning elusate bakterite arv jääb muutumatuks, saavutades maksimumtaseme. See on M-kontsentratsioon – igat tüüpi bakteritele iseloomulik väärtus;

4) suremise faas, mil surevate rakkude arv hakkab metaboolsete saaduste kuhjumise ja keskkonna ammendumise tõttu domineerima elujõuliste bakterite arvu üle.

Bakterite kultiveerimist sellises suletud, muutumatus keskkonnas nimetatakse perioodiliseks. Kui külvatud mahutisse söödetakse pidevalt värsket toitainekeskkonda ja eemaldatakse sama kogus vedelikku, nimetatakse sellist kultuuri pidevaks. Elusbakterite arv sellises kultuuris on M-kontsentratsiooni juures konstantne. Mikrobioloogiatööstuses kasutatakse pidevat kasvatamist.

Pigmentide, aromaatsete ainete teke mikroobide poolt. Helendavad mikroorganismid

Teatud tüüpi mikroobid toodavad värvaineid - pigmente. Kui pigment on vees lahustuv, siis värvuvad nii mikroobide kolooniad kui ka toitainekeskkond. Näiteks Pseudomonas aeruginosa (Pseudomonas aeruginosa) eritatav sinine pigment värvib keskmise siniseks. Pigmendid, mis lahustuvad orgaanilistes lahustites, kuid ei lahustu vees, ei värvi toitekeskkonda. Sellist alkoholis lahustuvat punast pigmenti, nn prodigiosaani, eritab imevits (Serratia marcescens). Sellesse rühma kuuluvad ka kollase, oranži, punase värvi pigmendid, mis on iseloomulikud kookide õhu mikrofloorale. Teatud tüüpi mikroobide puhul on pigmendid nii tugevalt seotud raku protoplasmaga, et ei lahustu ei vees ega orgaanilistes lahustites. Patogeensete bakterite hulgas moodustavad sellised kuldse, kollase, sidrunkollase värvi pigmendid stafülokokke.

Bakterite tüübi määramiseks kasutatakse pigmendi värvi.

Mõned ainevahetusprotsessis olevad mikroorganismid toodavad aromaatseid aineid. Näiteks jasmiini lõhn on tüüpiline Pseudomonas aeruginosale. Juustude, või ja veini erilise "buketti" iseloomulik lõhn on seletatav nende toodete tootmiseks kasutatavate mikroobide elutähtsa tegevusega.

Mikroobide hõõgumine (luminestsents) tekib substraadi bioloogilise oksüdatsiooni käigus energia vabanemise tulemusena. Sära on seda intensiivsem, seda tugevam on hapniku juurdevool Helendavad bakterid nimetati fotobakteriteks. Need annavad sära meres leiduvate kalade soomustele, seentele, kõdunevatele puudele, toiduainetele, mille pinnal nad paljunevad. Sära võib täheldada madalatel temperatuuridel, näiteks külmkapis. Inimeste patogeensust fotogeensete bakterite hulgas ei ole kindlaks tehtud.

Bakterite põhjustatud toiduainete sära ei too kaasa nende riknemist ja võib sellele isegi viidata. et nendes toodetes mädanemist ei esine, kuna see peatub mädanevate mikroorganismide arenguga.

5. PEATÜKK

MIKROORGANISMIDE KASVATAMISE MEETODID. KULTUURI- JA BIOKEEMIA UURING

OMADUSED

Kasvatamist, see tähendab mikroorganismide kasvatamist laboris, kasutatakse nende omaduste uurimiseks ja biomassi saamiseks. Toitekeskkonnas kasvatatakse baktereid, seeni, aktinomütseete, spiroheete ja mõningaid algloomi. Klamüüdia, riketsiad, viirused ja mõned algloomad võivad paljuneda ainult loomaorganismis või elusrakkudes.

Seda tüüpi mikroorganismide kultuurilised omadused on: 1) paljunemiseks vajalikud tingimused ja 2) toitekeskkonnas kasvu iseloom. Kultuurilised omadused on üks tunnuseid, mida võetakse arvesse mikroorganismide tuvastamisel (liigimääratlusel).

Toiteainekeskkond

Toitekeskkond peab vastama teatud nõuetele. Need peavad sisaldama kõiki seda tüüpi mikroobide paljunemiseks vajalikke toitaineid. Mõned patogeensed mikroorganismid kasvavad lihtsal toitainekeskkonnal, teised aga vajavad paljunemiseks vere, vereseerumi ja vitamiinide lisamist.

Kultuurikeskkonda tuleb konditsioneerida naatriumkloriidi või puhverlahuse lisamisega. Enamiku bakterite jaoks on soodne toitainekeskkond, mis sisaldab 0,5% naatriumkloriidi. Toitekeskkonna reaktsioon, mis on soodne enamikule patogeensetele bakteritele, on kergelt aluseline, mis vastab pH = 7,2-7,4. Vibrio cholerae kasvab pH=7,8-8,5 juures, seened - pH=5-5,5 juures. Toitekeskkonnad peaksid olema niisked, st sisaldama piisavas koguses vett, olema võimalikult läbipaistvad ja steriilsed, see tähendab, et enne külvi ei tohi olla mikroobe.

Toitekeskkonnad on koostise ja päritolu poolest looduslikud, tehislikud ja sünteetilised. Looduslik toitainekeskkond on looduslik toode, näiteks kartul, muud köögiviljad. Kunstlik toitainekeskkond valmistatakse kindla retsepti järgi toodetest, millele on lisatud orgaanilisi ja anorgaanilisi ühendeid. Sünteetilised kandjad sisaldavad teatud keemilisi ühendeid teadaolevates kontsentratsioonides.

Konsistentsi järgi on toitainekeskkond vedel, poolvedel, tihe. Hermeetikuna kasutatakse tavaliselt agar-agarit, merevetikatest eraldatud polüsahhariidi. Mikroorganismid ei kasuta agar-agarit toitainena, see moodustab vees geeli, mis sulab 100 °C juures ja tahkub 45 °C juures.

Tiheda toitainekeskkonna saamiseks lisatakse agar-agarit kontsentratsiooniga 1,5-2%, poolvedela jaoks - 0,5%.

Vastavalt sihtotstarbele võib toitainekeskkonda jagada tavalisteks (lihtsateks), spetsiaalseteks, valikaineteks, diferentsiaaldiagnostilisteks.

Enamiku mikroorganismide kasvatamiseks kasutatakse tavalisi (lihtsaid) toitekeskkondi, nendeks on liha-peptoonpuljong (MPB), liha-peptoonagar (MPA).

Lihtsöötmetel mittekasvavate mikroorganismide kasvatamiseks kasutatakse spetsiaalseid toitekeskkondi. Näiteks vereagar ja suhkrupuljong streptokoki jaoks, seerumagar meningokoki ja gonokoki jaoks.

Valikulist söödet kasutatakse ühe liigi isoleerimiseks erinevate bakterite segust. Seda tüüpi bakterid kasvavad sellel söötmel kiiremini ja paremini kui teised, olles oma kasvu poolest neist ees; teiste bakterite kasv sellel söötmel viibib. Näiteks hüübinud seerum difteeriabatsilli jaoks, aluseline peptoonvesi vibrio cholerae jaoks, sapipuljong kõhutüüfuse batsilli jaoks, soolane sööde Staphylococcus aureus'e jaoks.

Diferentsiaaldiagnostilist toitainekeskkonda kasutatakse teatud tüüpi bakterite eristamiseks teistest nende ensümaatilise aktiivsuse järgi (vt vastavat jaotist).

Aeroobsete bakterite puhaskultuuride kasvatamine ja isoleerimine

Mikroorganismide kasvatamiseks on vajalikud teatud tingimused: temperatuur, aeroobsed või anaeroobsed tingimused.

Temperatuur peaks olema selle liigi jaoks optimaalne. Enamik patogeenseid baktereid paljuneb temperatuuril 37 °C. Mõne liigi puhul on aga optimaalne madalam temperatuur, mis on seotud nende ökoloogia iseärasustega. Nii et katkubatsilli jaoks, kelle looduslikuks elupaigaks on talveuneperioodil närilised, on optimaalne temperatuur 28°C, nagu leptospira puhul, botulismibatsilli puhul - 28°C-35°C.

Mikroorganismide kasvatamiseks on lisaks optimaalsele temperatuurile vajalik olenevalt liigist aeroobne või anaeroobne keskkond.

Mikroobide morfoloogia, kultuuriliste, biokeemiliste ja muude omaduste uurimiseks on vaja saada puhaskultuur. Tavaliselt nimetatakse mikroobide kultuuriks nende kogunemist toitainekeskkonnale hägususe, põhjalähedase (parietaalse) kasvu või vedela söötme pinnal oleva kile või tiheda söötme kolooniate kujul. Ühest mikroobirakust moodustub eraldi koloonia. Puhaskultuur on ühest kolooniast saadud ühe liigi mikroobide kultuur. Laborites kasutatakse erinevate uuringute jaoks teatud teadaolevaid mikroobitüvesid. Tüvi on mikroobide puhaskultuur, mis on saadud kindlast allikast teatud ajahetkel ja millel on teadaolevad omadused. Reeglina on mikroobitüved tähistatud kindla numbriga. Näiteks kasutatakse penitsilliini aktiivsuse määramiseks Staphylococcus aureus 209P tüve.

Aeroobide puhaskultuuride eraldamine võtab tavaliselt kolm päeva ja see viiakse läbi vastavalt järgmisele skeemile:

1. päev - uuritavast materjalist määrdumise mikroskoopia, värvimine (tavaliselt grammi järgi) - esialgseks tutvumiseks mikroflooraga, mis võib olla kasulik nakatamiseks söötme valimisel. Seejärel nakatatakse materjal tahkestunud toitaineagari pinnale isoleeritud kolooniate saamiseks. Sõeluda saab Drygalsky meetodil kolmel toitekeskkonnaga Petri tassil. Esimesele topsile kantakse tilk materjali ja jaotatakse spaatliga üle kogu tassi. Seejärel jaotatakse sellele jäänud kultuur sama spaatliga teisele topsile ja samamoodi ka kolmandale. Kõige rohkem kolooniaid kasvab esimesel tassil, kõige vähem - kolmandal. Sõltuvalt sellest, kui palju mikroobirakke uuritavas materjalis oli, kasvavad ühel tassil isoleeritud kolooniad.

Sama tulemuse saab ühe tassi peale sõeludes. Selleks jaga tass neljaks sektoriks. Uuritavale materjalile inokuleeritakse bakterioloogiline silmus löökidega esimesele sektorile, seejärel pärast silmuse kaltsineerimist ja jahutamist jaotatakse külv esimesest sektorist teise ja samamoodi järjestikku kolmandasse ja neljandasse sektorisse. Isoleeritud kolooniad moodustuvad üksikutest mikroobirakkudest pärast igapäevast inkubeerimist termostaadis.

2. päev - plaatidel kasvanud kolooniate uurimine, nende kirjeldus. Kolooniad võivad olla läbipaistvad, poolläbipaistvad või läbipaistmatud, neil on erinevad suurused, ümarad korrapärased või ebakorrapärased piirjooned, kumer või tasane kuju, sile või kare pind, ühtlased või lainelised, sakilised servad. Need võivad olla värvitud või valge, kuldse, punase, kollase värvusega. Nende omaduste uurimise põhjal jagatakse kasvanud kolooniad rühmadesse. Seejärel valitakse uuritavast rühmast isoleeritud koloonia, mikroskoopiliseks uurimiseks valmistatakse äigepreparaadi mikroobide homogeensuse kontrollimiseks koloonias. Samast kolooniast inokuleeritakse katseklaasi kaldus toitaineagariga.

3. päev – kald-agaril kasvatatud kultuuri puhtuse kontrollimine äigemikroskoopiaga. Uuritud bakterite homogeensuse korral võib puhaskultuuri eraldamist lugeda täielikuks.

Isoleeritud bakterite tuvastamiseks uuritakse kultuurilisi omadusi, st kasvu olemust vedelal ja tahkel toitainekeskkonnal. Näiteks streptokokid suhkrupuljongil moodustavad põhjalähedase ja parietaalse sette, vereagaril - väikesed täpilised kolooniad; koolera vibrio moodustab leeliselise peptoonvee pinnal kile ja leeliselisel agaril - läbipaistvad kolooniad; toitaineagaril olev katkubatsill moodustab kolooniad tiheda keskpunkti ja õhukeste laineliste servadega "pitsist taskurätikute" kujul ning vedelas toitainekeskkonnas - pinnale kile ja seejärel - sellest välja ulatuvate niitide kujul " stalaktiidid".

Nagu esiteks sage Peatükk... põllumajandus mikrobioloogia(Peterburi) ja Tšehhi mikrobioloogid Kindral

annotatsioon

Sissejuhatus

1. Ainevahetuse ja energia üldmõisted

2. Konstruktiivne ainevahetus

3.1 Süsinikuallikad

4. Mikroorganismide ainevahetuse tüübid

7. Kemoorganotroofide energiavahetus hingamisprotsessi abil

8. Kemoliitoautotroofide energia metabolism

Järeldus

See kursusetöö sisaldab põhiteavet bakterite konstruktiivse ja energiavahetuse kohta. Tööd tehakse 37 lehel. Sisaldab 5 joonist ja 1 tabelit.

Aine muundumisprotsesside kogumit elusorganismis, millega kaasneb selle pidev uuenemine, nimetatakse ainevahetuseks või ainevahetuseks.

Elusorganismide olulisemateks omadusteks on enesepaljunemisvõime ja lähim seos keskkonnaga. Iga organism saab eksisteerida ainult toitainete pideva sissevoolu väliskeskkonnast ja jääkainete eraldumise tingimustes.

Rakku imendunud toitained muudetakse keeruliste biokeemiliste reaktsioonide tulemusena spetsiifilisteks rakukomponentideks. Toitainete imendumise, assimilatsiooni ja nende tõttu raku struktuurielementide loomise biokeemiliste protsesside kogumit nimetatakse konstruktiivseks ainevahetuseks või anabolismiks. Konstruktiivsed protsessid käivad koos energia neeldumisega. Raku muude funktsioonide biosünteesi protsessideks, nagu liikumine, osmoregulatsioon jne, vajalikku energiat saab rakk tänu oksüdatiivsete reaktsioonide kulgemisele, mille kogusumma on energia metabolism ehk katabolism (joonis 1).

Kõik elusorganismid saavad kasutada ainult keemiliselt seotud energiat. Igal ainel on teatud kogus potentsiaalset energiat. Selle peamised materjalikandjad on keemilised sidemed, mille purunemine või muundumine toob kaasa energia vabanemise.

Keemiliste sidemete energiatase ei ole sama. Mõne jaoks on selle väärtus suurusjärgus 8-10 kJ. Selliseid ühendusi nimetatakse normaalseteks. Teised sidemed sisaldavad palju rohkem energiat - 25-40 kJ. Need on nn makroergilised võlakirjad. Peaaegu kõik teadaolevad selliste sidemetega ühendid sisaldavad nende sidemete moodustamises osalevaid fosfori- ja väävliaatomeid.

Adenosiintrifosfaat (ATP) mängib rakkude elus olulist rolli. Selle molekul koosneb adeniinist, riboosist ja kolmest fosforhappe jäägist: (lisad, joonis 2)

ATP-l on raku energiavahetuses keskne koht. Makroergilised sidemed ATP molekulis on väga haprad. Nende sidemete hüdrolüüs toob kaasa märkimisväärse koguse vaba energia vabanemise:

ATP + H20 → ADP + H3P04 - 30,56 kJ

Hüdrolüüs toimub spetsiifiliste ensüümide osalusel, andes energiat biokeemilistele protsessidele, mis toimuvad energia neeldumisega. Sel juhul täidab ATP energiatarnija rolli. Väikese suurusega ATP molekul hajub raku erinevatesse osadesse. ATP-ga varustatus rakkudes uueneb pidevalt tänu fosforhappejäägi lisamise reaktsioonidele adenosiindifosforhappe (ADP) molekulile:

ADP + H3P04 → ATP + H20

ATP süntees, nagu ka hüdrolüüs, toimub ensüümide osalusel, kuid sellega kaasneb energia neeldumine, mille saamise meetodid mikroorganismides, ehkki need on mitmekesised, võib taandada kahte tüüpi:

1) valgusenergia kasutamine;

2) keemiliste reaktsioonide energia kasutamine.

Sel juhul muundatakse mõlemat tüüpi energia ATP keemiliste sidemete energiaks. Seega toimib ATP rakus transformaatorina.

Anabolism ja katabolism on omavahel lahutamatult seotud, moodustades ühtse terviku, kuna energia metabolismi saadusi (ATP ja mõned madala molekulmassiga ühendid) kasutatakse vahetult raku konstruktiivses ainevahetuses (joonis 6.1).

Mikroorganismide rakkudes sõltub energia ja konstruktiivsete protsesside suhe paljudest spetsiifilistest tingimustest, eelkõige toitainete olemusest. Sellele vaatamata ületab kataboolsete reaktsioonide maht tavaliselt biosünteesiprotsesse. Nende kahe ainevahetusliigi omavaheline seos ja konjugatsioon avaldub eelkõige selles, et konstruktiivsete protsesside kogumaht sõltub täielikult energiavahetuse käigus saadavast saadaolevast energiast.

Konstruktiivne ainevahetus on suunatud nelja peamise biopolümeeritüübi sünteesile: valgud, nukleiinhapped, polüsahhariidid ja lipiidid.

Allpool on näidatud komplekssete orgaaniliste ühendite biosünteesi üldistatud tingimuslik skeem, kus eristatakse järgmisi põhietappe: orgaaniliste lähteainete moodustumine kõige lihtsamatest anorgaanilistest ainetest (I), millest sünteesitakse ehitusplokid (II). järgmine etapp. Tulevikus moodustavad ehitusplokid, mis seovad omavahel kovalentsete sidemetega biopolümeere (III): Kasutusalad (joonis nr 3)

Esitatud biosünteesiprotsesside skeem ei kajasta madala molekulmassiga prekursorite suure molekulmassiga ehitusplokkideks muutmise keerukust. Tegelikult toimub süntees järjestikuste reaktsioonide jadana erinevate metaboolsete vaheühendite moodustumisega. Lisaks on mikroorganismide biosünteesivõimete arengutasemed väga erinevad. Mõne mikroobi puhul hõlmab konstruktiivne ainevahetus kõiki diagrammil näidatud etappe, teistes piirdub see teise ja kolmanda või ainult kolmanda etapiga. Seetõttu erinevad mikroorganismid üksteisest järsult oma toitumisvajaduste poolest. Toidu elementaarne koostis on aga kõigil elusorganismidel ühesugune ja peab sisaldama kõiki rakulise aine moodustavaid komponente: süsinik, lämmastik, vesinik, hapnik jne.

Sõltuvalt konstruktiivses ainevahetuses kasutatavatest süsinikuallikatest jagatakse mikroorganismid kahte rühma: autotroofid ja heterotroofid.

Autotroofid (kreeka keelest "autos" - ise, "trofe" - toit) kasutavad süsinikdioksiidi ainsa süsinikuallikana ja sünteesivad kõik vajalikud biopolümeerid sellest lihtsast anorgaanilisest lähteühendist. Autotroofidel on suurim biosünteesivõime.

Heterotroofid (kreeka keelest "heteros" - teine) vajavad orgaanilisi süsinikuallikaid. Nende toitumisvajadused on väga erinevad. Mõned neist toituvad teiste organismide jääkproduktidest või kasutavad surnud taime- ja loomakudesid. Selliseid mikroorganisme nimetatakse saprofüütideks (kreeka keelest "sapros" - mäda ja "phyton" - taim). Nende poolt süsinikuallikana kasutatavate orgaaniliste ühendite hulk on äärmiselt suur – need on süsivesikud, alkoholid, orgaanilised happed, aminohapped jne. Peaaegu iga looduslikku ühendit võivad üht või teist tüüpi mikroorganismid kasutada toitumis- või energiaallikana. .

Lämmastik on vajalik rakuliste valkude sünteesiks. Seoses mikroorganismide lämmastikuga toitumise allikatega saab eristada autoaminotroofe ja heteroaminotroofe. Esimesed oskavad kasutada anorgaanilist lämmastikku (ammoonium, nitraat, molekulaarne) või orgaanilise (uurea) lihtsamaid vorme ja ehitada nendest ühenditest üles oma keha erinevaid valke. Sel juhul muudetakse kõik lämmastiku vormid esmalt ammooniumivormiks. See lämmastiku kõige redutseeritud vorm muundub kergesti aminorühmaks. Heteroaminotroofid vajavad lämmastiku orgaanilisi vorme – valke ja aminohappeid. Mõned neist nõuavad täielikku aminohapete komplekti, teised loovad vajalikke valguühendeid ühest või kahest aminohappest neid muundades.

Paljud mikroorganismid, mis on süsiniku suhtes heterotroofsed, on autoaminotroofid. Nende hulka kuuluvad reoveepuhastusega seotud bakterid.

Mikroorganismid rahuldavad hapniku ja vesiniku vajaduse konstruktiivseks vahetuseks vee ja orgaaniliste toitainete arvelt. Tuhaelementide (P, S, K, Mg, Fe) allikateks on vastavad mineraalsoolad. Vajadus nende elementide järele on väike, kuid keskkonnas olemasolu on kohustuslik. Lisaks on mikroobide normaalseks funktsioneerimiseks vajalikud mikroelemendid - Zn, Co, Cu, Ni jne. Osa neist on osa mikroobide loomulikust toitumisest ja osa imendub nende poolt mineraalsooladest.

Toidu hankimise meetodid, st mikroorganismide toitumismeetodid, on väga mitmekesised. Toitumist on kolm peamist tüüpi: holofüütne, saprosoone, holosoikum.

Holofüütide toitumine (kreeka keelest "holo" - terve, "sobib" - taim) viiakse läbi vastavalt taime fotosünteesi tüübile. Selline toitumine on omane ainult autotroofidele. Mikroorganismide hulgas on see meetod omane vetikatele, lipulaevade värvilistele vormidele ja mõnele bakterile.

Heterotroofsed mikroorganismid toituvad kas tahketest toiduosakestest või neelavad lahustunud orgaanilist ainet.

Holosoiline toitumine määrab mikroorganismides spetsiaalsete organellide arengu toidu seedimiseks ja mõnes - selle püüdmiseks. Näiteks värvitutel viburatel ja ripsmetel on suuava, kuhu suunatakse toit vastavalt vibude või ripsmetega. Kõige paremini organiseeritud ripsloomad moodustavad oma perioraalsete ripsmetega veevoolu lehtri kujul, mis suunatakse kitsast otsast suhu. Toiduosakesed ladestuvad lehtri põhja ja ripsloomad neelavad need alla. Selliseid ripsloomi nimetatakse sedimentaatoriteks. Amööbid toituvad fagotsütoosi teel.

Holosoilise toitumisviisiga mikroorganismid konstruktiivseks ainevahetuseks kasutavad peamiselt teiste organismide – bakterite, vetikate jne tsütoplasmat ning neil on seedimiseks spetsiaalsed organellid. Algloomade seedimisprotsess toimub seedevakuoolides.

Seedimine seisneb keeruliste orgaaniliste ainete hüdrolüütilises lagunemises lihtsamateks ühenditeks. Sel juhul hüdrolüüsitakse süsivesikud lihtsuhkruteks, valgud aminohapeteks ning lipiidide hüdrolüüsi käigus moodustuvad glütserool ja kõrgemad rasvhapped. Seedimisproduktid imenduvad tsütoplasmasse ja läbivad edasise transformatsiooni.

Bakteritel, mikroskoopilistel seentel, pärmseenel puuduvad toidu püüdmiseks spetsiaalsed organellid ja see siseneb rakku läbi kogu pinna. Sellist toitumisviisi nimetatakse saprosooiks.

Rakku sisenemiseks peavad toitained olema lahustunud olekus ja sobiva molekulisuurusega. Paljude makromolekulaarsete ühendite puhul on tsütoplasmaatiline membraan läbitungimatu ja mõned neist ei suuda isegi rakumembraanist läbi tungida. See aga ei tähenda, et mikroorganismid ei kasutaks makromolekulaarseid ühendeid toitainetena. Mikroorganismid sünteesivad ekstratsellulaarseid seedeensüüme, mis hüdrolüüsivad kompleksühendeid. Seega toimub algloomadel vakuoolides toimuv seedimisprotsess bakterites väljaspool rakku (lisad, joon. 4).

Molekulide suurus ei ole ainus tegur, mis määrab toitainete tungimise rakku.

Tsütoplasmaatiline membraan suudab mõnda ühendit läbida ja teisi säilitada.

Ainete ülekandmiseks läbi rakumembraani on teada mitmeid mehhanisme: lihtne difusioon, hõlbustatud difusioon ja aktiivne ülekanne (lisad, joonis 5).

Lihtdifusioon on aine molekulide tungimine rakku ilma kandjate abita.

Raku toitainetega küllastamisel on lihtsal difusioonil vähe tähtsust. See on aga viis, kuidas veemolekulid rakku sisenevad. Olulist rolli selles protsessis mängib osmoos – lahusti molekulide difusioon läbi poolläbilaskva membraani kontsentreerituma lahuse suunas.

Poolläbilaskva membraani rolli rakus täidab tsütoplasmaatiline membraan. Rakumahlas on lahustunud tohutul hulgal erinevate ainete molekule, seetõttu on mikroorganismide rakkudel üsna kõrge osmootne rõhk. Selle väärtus paljudes mikroobides ulatub 0,5-0,8 MPa-ni. Keskkonnas on osmootne rõhk tavaliselt madalam. See põhjustab vee sissevoolu rakku ja tekitab selles teatud pinge, mida nimetatakse turgoriks.

Lihtsustunud difusiooniga sisenevad lahustunud ained rakku spetsiaalsete kandeensüümide, mida nimetatakse permeaasideks, osalusel. Need justkui püüavad lahustunud ainete molekulid kinni ja kannavad need membraani sisepinnale.

Lihtne ja hõlbustatud difusioon on ainete passiivse transpordi variandid. Ainete rakku ülekandmise liikumapanev jõud on sel juhul kontsentratsioonigradient membraani mõlemal küljel. Kuid enamik aineid siseneb rakku vastu kontsentratsioonigradienti. Sellisel juhul kulutatakse sellisele ülekandele energiat ja ülekannet nimetatakse aktiivseks. Aktiivne ülekanne toimub spetsiifiliste valkude osalusel, on seotud raku energia metabolismiga ja võimaldab akumuleeruda rakus toitaineid kontsentratsioonis, mis on kordades suurem kui nende kontsentratsioon väliskeskkonnas. Aktiivne ülekanne on peamine mehhanism toitainete sisenemiseks rakkudesse saprosoose toitumisega.

3. Prokarüootide toitainevajadus

Peamiste rakukomponentide ehitamiseks vajalikud monomeerid võivad raku poolt sünteesida või tulla valmis kujul keskkonnast. Mida rohkem valmisühendeid peab keha väljastpoolt saama, seda madalam on tema biosünteesivõime tase, kuna kõigi vabalt elavate vormide keemiline korraldus on sama.

3.1 Süsinikuallikad

Konstruktiivses ainevahetuses on põhiroll süsinikul, kuna kõik ühendid, millest elusorganismid koosnevad, on süsinikuühendid. Neist on teada umbes miljon. Prokarüootid on võimelised toimima mis tahes teadaolevale süsinikuühendile, st kasutama seda oma ainevahetuses. Sõltuvalt konstruktiivse metabolismi süsiniku allikast jagunevad kõik prokarüootid kahte rühma: autotroofid, mille hulka kuuluvad organismid, mis on võimelised sünteesima kõiki rakukomponente süsinikdioksiidist, ja heterotroofid, mille konstruktiivse metabolismi süsinikuallikaks on orgaanilised ühendid. Mõisted "auto-" ja "heterotroofia" iseloomustavad seega konstruktiivse ainevahetuse tüüpi. Kui autotroofia on üsna selge ja kitsas mõiste, siis heterotroofia on väga lai mõiste ja ühendab endas organisme, mis oma toitainevajaduselt järsult erinevad.

Järgmine suur prokarüootide rühm on nn saprofüüdid – heterotroofsed organismid, mis ei sõltu otseselt teistest organismidest, vaid vajavad valmis orgaanilisi ühendeid. Nad kasutavad teiste organismide või lagunevate taimede ja loomsete kudede jääkaineid. Enamik baktereid on saprofüüdid. Saprofüütide substraadi nõudlikkuse aste on väga erinev. Sellesse rühma kuuluvad organismid, mis võivad kasvada ainult üsna keerukatel substraatidel (piim, loomade laibad, mädanenud taimejäägid), st nad vajavad süsivesikuid, lämmastiku orgaanilisi vorme aminohapete komplektina, peptiide, valke, täielikult või osaliselt viimaste sünteesiks vajalikud vitamiinid, nukleotiidid või valmiskomponendid (lämmastikualused, viiesüsinikulised suhkrud). Et rahuldada nende heterotroofide vajadust toitainete järele, kasvatatakse neid tavaliselt söötmel, mis sisaldab liha hüdrolüsaate, pärmi autolüsaate, taimeekstrakte ja vadakut.

On prokarüoote, mis vajavad kasvuks väga piiratud arvu valmis orgaanilisi ühendeid, peamiselt vitamiinide ja aminohapete hulgast, mida nad ise sünteesida ei suuda, ning lõpuks heterotroofe, mis vajavad vaid ühte orgaanilist süsinikuallikat. See võib olla mis tahes suhkur, alkohol, hape või muu süsinikku sisaldav ühend. Kirjeldatakse perekonna Pseudomonas baktereid, mis suudavad ainsa süsiniku- ja energiaallikana kasutada mis tahes 200 erinevast orgaanilisest ühendist, ning baktereid, mille süsiniku- ja energiaallikaks võib olla kitsas hulk üsna eksootilisi orgaanilisi aineid. Näiteks Bacillus fastidiosus saab kasutada ainult kusihapet ja selle lagunemissaadusi ning mõned perekonna Clostridium esindajad kasvavad ainult puriine sisaldavas söötmes. Nad ei saa kasvuks kasutada muid orgaanilisi substraate. Nende organismide biosünteesivõimed on arenenud sedavõrd, et nad suudavad ise sünteesida kõiki neile vajalikke süsinikuühendeid.

Veekogudes elavate heterotroofsete prokarüootide erirühm on oligotroofsed bakterid, mis on võimelised kasvama orgaanilises aines väikeses kontsentratsioonis. Organisme, mis eelistavad kõrgeid toitainete kontsentratsioone, nimetatakse kopiotroofideks. Kui tüüpilistes kopiotroofides luuakse optimaalsed kasvutingimused, kui toitainete sisaldus söötmes on ligikaudu 10 g / l, siis oligotroofsete organismide puhul - vahemikus 1-15 mg süsinikku / l. Suurema orgaanilise aine sisaldusega keskkondades ei saa sellised bakterid reeglina kasvada ega surra.

Lämmastik on üks neljast rakkude ehitamisel osalevast olulisest elemendist. See sisaldab ligikaudu 10% kuivaine põhjal. Looduslik lämmastik esineb oksüdeeritud, redutseeritud ja molekulaarses vormis. Valdav enamus prokarüoote omastab lämmastikku redutseeritud kujul. Need on ammooniumisoolad, uurea, orgaanilised ühendid (aminohapped või peptiidid). Paljud prokarüootid võivad tarbida ka lämmastiku oksüdeeritud vorme, peamiselt nitraate. Kuna lämmastikku kasutatakse rakkude konstruktiivses metabolismis ammoniaagi kujul, tuleb nitraate enne orgaanilistesse ühenditesse lisamist vähendada.

Nitraatide redutseerimine ammoniaagiks toimub kahe ensüümi – nitraadi ja nitritireduktaasi – järjestikuse toimega.

Prokarüootse maailma üksikute esindajate võime kasutada atmosfääri molekulaarset lämmastikku avastati juba ammu. Viimasel ajal on selgunud, et see omadus on paljudel erinevatesse rühmadesse kuuluvatel prokarüootidel: eu- ja arhebakterid, aeroobid ja anaeroobid, fototroofid ja kemotroofid, vabalt elavad ja sümbiootilised vormid. Molekulaarse lämmastiku fikseerimine viib ka selle redutseerumiseni ammoniaagiks.

3.3 Nõuded väävli- ja fosforiallikatele

Väävel on osa aminohapetest (tsüsteiin, metioniin), vitamiinidest ja kofaktoritest (biotiin, lipoehape, koensüüm A jne) ning fosfor on nukleiinhapete, fosfolipiidide, koensüümide oluline komponent. Looduses on väävel anorgaaniliste soolade, peamiselt sulfaatide kujul, molekulaarse väävli kujul või orgaaniliste ühendite osa. Enamik prokarüoote tarbib biosünteesi eesmärgil väävlit sulfaadi kujul, mis seejärel redutseeritakse sulfiidi tasemeni. Mõned prokarüootide rühmad ei ole aga võimelised sulfaate redutseerima ja vajavad redutseeritud väävliühendeid. Fosfori peamine vorm looduses on fosfaadid, mis rahuldavad selle elemendi prokarüootide vajadused.

3.4 Vajadus metalliioonide järele

Kõik prokarüootid vajavad metalle, mida saab kasutada anorgaaniliste soolakatioonide kujul. Mõnda neist (magneesium, kaltsium, kaalium, raud) on vaja üsna suurtes kontsentratsioonides, teiste (tsingi, mangaani, naatriumi, molübdeeni, vase, vanaadiumi, nikli, koobalti) vajadus on väike. Eespool loetletud metallide rolli määrab asjaolu, et need on osa peamistest raku metaboliitidest ja seega osalevad keha elutähtsate funktsioonide elluviimises.

3.5 Kasvutegurite vajadus

Mõned prokarüootid leiavad vajaduse mõne orgaanilise ühendi järele vitamiinide, aminohapete või lämmastikaluste rühmast, mida nad mingil põhjusel kasutatavast süsinikuallikast sünteesida ei suuda. Neid orgaanilisi ühendeid, mida vajatakse väga väikestes kogustes, nimetatakse kasvufaktoriteks. Organismid, mis vajavad lisaks peamisele süsinikuallikale ühte või mitut kasvufaktorit, nimetatakse auksotroofideks, erinevalt prototroofidest, mis sünteesivad peamisest süsinikuallikast kõik vajalikud orgaanilised ühendid.

Mikroorganismide täielikuks iseloomustamiseks kasutatakse ainevahetuse tüübi mõistet. Teatud mikroorganismide rühmade metabolismi tüüpide erinevused tulenevad konstruktiivse ja spetsiifilise energiavahetuse iseärasustest. Sõltuvalt ATP tootmiseks kasutatavast energiaallikast jagatakse mikroorganismid fototroofideks (kasutades valguse energiat) ja kemotroofideks (kasutades keemiliste reaktsioonide energiat).

ATP moodustumise protsessi nimetatakse fosforüülimiseks; see viiakse läbi mitokondrites (eukarüootides) ja tsütoplasmaatilisel membraanil paiknevates ensüümsüsteemides (prokarüootides). ATP moodustumise mehhanism erinevates mikroorganismide rühmades ei ole sama. Seal on substraat, oksüdatiivne ja fotofosforüülimine. Igasugune fosforüülimine on tingimata seotud elektronide ülekandega energia metabolismi redoksreaktsioonide käigus. Samal ajal kasutavad mõned mikroorganismid anorgaanilisi ühendeid elektronide (vesiniku) doonoritena, teised aga orgaanilisi ühendeid. Vastavalt sellele nimetatakse esimesi litotroofideks, teisi - organotroofideks.

Seega, võttes arvesse toitumise tüüpi (auto- või heterotroofne), elektronidoonori olemust, energiaallikat (valgus- või keemiline reaktsioon), võib konstruktiivse ja energiavahetuse võimalikke kombinatsioone kujutada järgmise skeemina.

Kõik esitatud võimalused iseloomustavad teatud tüüpi ainevahetust. Tabelis. 1 on näidatud igat tüüpi ainevahetuse mikroorganismide esindajad

Enamik looduslikus reovees elavatest mikroorganismidest, mis mängivad olulist rolli vee kvaliteedi kujunemisel ja selle puhastamisel, kuuluvad ainevahetuse kaheksandasse ja esimest tüüpi. Sellega seoses pööratakse materjali edasisel esitlusel põhitähelepanu neile.

5. Fototroofide energiavahetus

Kõik tabelis loetletud. 1 fotosünteesivad mikroorganismid on kohandatud kasutama nähtavat valgust (lainepikkus 400-700 nm) ja lähiinfrapuna (700-1100 nm). See valguse energia tõttu eksisteerimise võime on tingitud spetsiifiliste valgustundlike pigmentidega organellide olemasolust rakkudes. Igal mikroorganismitüübil on iseloomulik ja püsiv pigmentide komplekt.

Tabel 1

Mõnede tsüanobakterite rühma esindajate puhul on koos fotolitoautotroofiaga näidatud ka fotolito- või kemoorganoheterotroofia võimet. On olemas mitmeid kemolitoautotroofseid Thiobacillus'e liike, kasutades energia- ja süsinikuallikana orgaanilisi ühendeid, st kemoorganoheterotroofselt.

Mõned prokarüootid võivad eksisteerida ainult ühe toitumisviisi alusel. Näiteks üherakuline tsüanobakter Synechococcus elongatus saab kasutada energiaallikana ainult valgust ja konstruktiivses ainevahetuses peamise süsinikdioksiidi allikana süsihappegaasi. Iseloomustades selle organismi eksisteerimisviisi (elustiili, ainevahetuse tüüpi) ütleme, et tegemist on kohustusliku fotolitoautotroofiga. Paljud perekonda Thiobacillus kuuluvad bakterid on kohustuslikud kemoliitoautotroofid, s.t nende energiaallikaks on erinevate väävliühendite oksüdatsioon ning kehaainete ehitusmaterjalide süsinikuallikaks on süsihappegaas. Valdav enamus baktereid on kohustuslikud kemoorganoheterotroofid, kasutades süsiniku ja energia allikana orgaanilisi ühendeid.

Valgusenergia püütakse kinni neelavate pigmentide süsteemiga ja kantakse üle reaktsioonikeskusesse, mis ergastab klorofülli molekule. Pimedas on klorofülli molekul stabiilses ergastamata olekus, kui sellele molekulile langeb valgus, on see ergastatud ja üks elektronidest kõrgemale energiatasemele. Klorofülli molekulid on tihedalt seotud elektronide transpordisüsteemiga. Iga neelduv valguskvant tagab ühe elektroni eraldumise klorofülli molekulist, mis läbides elektronide transpordiahela, annab oma energia ADP-ATP süsteemile, mille tulemusena valgusenergia muundub klorofülli molekuli energiaks. ATP molekuli makroergiline side. Sellist ATP tootmise viisi nimetatakse fotosünteetiliseks fosforüülimiseks.

Tootliku vahetuse biosünteetiliste protsesside rakendamiseks vajavad mikroorganismid aga lisaks energiale ka redutseerijat - vesiniku (elektronide) doonorit. Vetikate ja sinivetikate jaoks toimib vesi sellise eksogeense vesiniku doonorina. Süsinikdioksiidi redutseerimine fotosünteesi protsessis ja selle muundumine raku struktuurikomponentideks seda tüüpi mikroorganismides toimub sarnaselt kõrgemate taimede fotosünteesiga:

CO2+H2O→(CH2O)+O2

Valem CH2O sümboliseerib orgaanilise ühendi teket, milles süsiniku oksüdatsiooni tase vastab ligikaudu süsiniku oksüdatsioonile raku orgaanilistes ainetes.

Fotosünteetilistes bakterites võivad sünteesireaktsioonide vesiniku doonorid olla nii anorgaanilised kui orgaanilised ained. Enamik fotolitoautotroofide rühma kuuluvaid lillasid ja rohelisi väävlibaktereid redutseerivad CO2, kasutades vesiniku doonoriks H2S:

CO2+2H2S→(CH2O)+H2O+2S

Seda tüüpi fotosünteesi nimetatakse fotoreduktsiooniks.Peamine erinevus bakteriaalse fotoreduktsiooni ning roheliste taimede ja vetikate fotosünteesi vahel seisneb selles, et vesiniku doonoriks kasutatakse muid ühendeid, mitte vett ning fotoreduktsiooniga ei kaasne hapniku vabanemist.

Erinevalt anorgaanilistest redutseerivatest ainetest, mis toimivad ainult vesiniku doonoritena, võivad eksogeensed orgaanilised redutseerivad ained toimida samaaegselt süsinikuallikatena (fotoorganoheterotroofia).

Võime kasutada orgaanilisi ühendeid ühel või teisel määral on omane kõikidele fotosünteetilistele bakteritele. Fotolitoheterotroofide puhul toimivad nad ainult süsiniku toitumise allikana, fotoorganoautotroofide puhul ainult vesiniku doonoritena. Näiteks perekonna Rhodopseudomonas sp. suudab läbi viia fotosünteesi, kasutades vesiniku doonorina isopropanooli, vähendades samal ajal süsinikdioksiidi ja tekitades atsetooni:

ATP energia

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

6. Kemotroofide energia metabolism fermentatsiooniprotsesse kasutades

Kolmest ATP moodustumise rajast on substraadi fosforüülimine kõige lihtsam. Seda tüüpi energia metabolism on iseloomulik paljudele bakteritele ja pärmseentele, mis viivad läbi erinevat tüüpi kääritamist.

Käärimine toimub anaeroobsetes tingimustes ja seda võib defineerida kui energia tootmiseks vajalike komplekssete orgaaniliste substraatide bioloogilist oksüdatsiooni protsessi, mille käigus algse substraadi lagunemisel moodustub lõplik vesiniku aktseptor (ka orgaaniline aine). Sel juhul toimivad mõned orgaanilised ained vesiniku doonoritena ja oksüdeeritakse, teised aga vesiniku aktseptoritena ja selle tulemusena redutseeritakse. Vesiniku ülekanne doonoritelt aktseptoritele toimub redoksensüümide abil.

Lisaks süsivesikutele on paljud bakterid võimelised kääritama väga erinevaid ühendeid: orgaanilisi happeid, aminohappeid, puriine jne. Tingimuseks, mis määrab aine käärimisvõime, on mittetäielikult oksüdeerunud (redutseeritud) süsinikuaatomite olemasolu organismis. selle struktuur. Ainult sel juhul on substraadi intra- ja molekulidevaheline ümberkorraldamine võimalik oksüdatiivsete ja redutseerimisreaktsioonide konjugatsiooni tõttu ilma hapniku osaluseta.

Käärimisprotsesside tulemusena akumuleeruvad keskkonda ained, milles süsiniku oksüdatsiooniaste võib olla kas kõrgem või madalam kui algses substraadis. Oksüdatiivsete ja redutseerimisprotsesside range tasakaal fermentatsiooni ajal viib aga selleni, et süsiniku keskmine oksüdatsiooniaste jääb substraadi omaga samaks.

Kääritusi on mitut tüüpi, mille nimetused on antud vastavalt lõpptootele: alkohoolne (viib läbi pärm ja teatud tüüpi bakterid), propioonhape (propioonbakterid), metaan (metaani moodustavad bakterid), võihape (võihape). bakterid) jne.

Paljud käärimisprotsesse läbi viivad mikroorganismid on kohustuslikud anaeroobid, mis ei suuda areneda hapniku ja veel nõrgemate oksüdeerivate ainete juuresolekul. Teised - fakultatiivsed anaeroobid - võivad kasvada nii hapnikukeskkonnas kui ka anoksilises keskkonnas. See fakultatiivsete anaeroobide eristav omadus on seletatav asjaoluga, et nad võivad muuta ATP moodustumist, lülituda oksüdatiivselt fosforüülimiselt hapniku juuresolekul keskkonnas substraadi puudumisele. Bioloogiliste oksüdatsiooniprotsesside iseloomulik tunnus on nende mitmeastmelisus. pakkudes keerulistes orgaanilistes substraatides sisalduva vaba energia järkjärgulist vabanemist.

Mitmeastmeline energiavahetus on iga organismi eluks põhimõtteliselt vajalik. Kui kompleksainete oksüdatsioon rakus toimuks ühes etapis, siis mitmesaja kilodžauli samaaegne vabanemine tooks kaasa suure hulga soojuse eraldumise, temperatuuri järsu tõusu ja rakusurma, kuna energiakasutuse efektiivsus on piiratud ADP-ATP süsteemi võimalustega.

Lihtsaim näide glükoosi anaeroobsest oksüdatsioonist on piimhappe fermentatsioon. Seda põhjustavad piimhappebakterid, fakultatiivsed anaeroobid, mis ei moodusta eoseid. PVC muundamine piimhappekääritamise ajal toimub järgmiselt:

CH3COCOOH + ÜLE*H2, - CH3CHOHCOOH + ÜLE

Palju keerulisem on propioonhappe kääritamise mehhanism, mis toimib energiaallikana rühmale propioonbakteritele, fakultatiivsetele anaeroobidele, liikumatutele mittespoore moodustavatele Propionibacterium perekonna bakteritele. Need bakterid sünteesivad lõpliku aktseptori, sidudes CO2 PVCL-i molekuliga. Protsessi nimetatakse heterotroofseks CO2 assimilatsiooniks. Selle tulemusena moodustub oksaloäädikhape - NAD*H2 vesiniku aktseptor. Edasised ensümaatilised reaktsioonid viivad propioonhappe moodustumiseni.

Võikääritamist viivad läbi perekonna Clostridium bakterid. Seega on käärimisprotsessi energiasaagis madal, kuna orgaanilised ained ei oksüdeeru täielikult ja osa algse substraadi energiast salvestub üsna keerulistes käärimisproduktides. Enamikul juhtudel säilitab rakk glükoosi kääritamise ajal kaks ATP molekuli 1 mooli glükoosi kohta.

Rakulise aine sünteesiks ja muudeks elutähtsateks funktsioonideks vajaliku energia saamiseks peavad fermentatsiooniprotsesse läbi viivad mikroorganismid töötlema suures koguses orgaanilisi aineid.

Just neil põhjustel kasutatakse reoveepuhastites kontsentreeritud substraatide – reoveesette – töötlemiseks anaeroobseid kääritamisprotsesse.

Enamik heterotroofseid organisme saab energiat hingamise käigus – vesiniku doonoriteks olevate keeruliste orgaaniliste substraatide bioloogilise oksüdatsiooni käigus. Oksüdeeritud aine vesinik siseneb ensüümide hingamisahelasse. Hingamist nimetatakse aeroobseks, kui vesiniku lõpliku aktseptori rolli täidab vaba hapnik. Mikroorganisme, mis võivad eksisteerida ainult hapniku juuresolekul, nimetatakse kohustuslikeks aeroobideks.

Energiaallikatena - vesiniku doonoritena - võivad kemoorganoheterotroofid hingamisprotsessis kasutada mitmesuguseid oksüdeeritavaid orgaanilisi ühendeid: süsivesikuid, rasvu, valke, alkohole, orgaanilisi happeid jne. Kokkuvõttes väljendatakse hingamisprotsessi süsivesikute oksüdatsiooni ajal järgmine võrrand:

С6Н12О6 + 6О → 6СО2 + 6Н2О + 2820 kJ

Süsivesikute muundamise esialgne etapp kuni PVC moodustumiseni on täiesti identne süsivesikute oksüdatsiooni ensümaatiliste reaktsioonidega kääritamise ajal.

Aeroobsetes rakkudes võib PVC rea järjestikuste reaktsioonide tulemusena täielikult oksüdeeruda. Nende teisenduste kombinatsioon moodustab tsükli, mida nimetatakse Krebsi tsükliks või di- ja trikarboksüülhapete tsükliks (CTC).

Tsüklis dehüdrogenaaside poolt ära võetud vesinik kantakse üle ensüümide hingamisahelasse, mis aeroobides sisaldab lisaks NAD-ile FAD-i ehk tsütokroomsüsteemi ja lõplikku vesiniku aktseptorit hapnikku. Vesiniku ülekandega mööda seda ahelat kaasneb ATP moodustumine.

Fosforüülimise esimene etapp on seotud vesiniku ülekandega primaarselt dehüdrogenaasilt FAD-le. Teine fosforüülimine toimub siis, kui elektron läheb tsütokroom b-lt tsütokroomile, kolmas - kui elektron viiakse üle hapnikku. Seega sünteesitakse iga kahe hingamisahelasse siseneva vesinikuaatomi (elektroni) kohta kolm ATP molekuli. ATP moodustumist samaaegselt prootonite ja elektronide ülekande protsessiga mööda ensüümide hingamisahelat nimetatakse oksüdatiivseks fosforüülimiseks. Mõnel juhul on elektron kaasatud hingamisahelasse FAD või isegi tsütokroomide tasemel. Samal ajal väheneb sünteesitud ATP molekulide arv vastavalt.

1 mooli glükoosi oksüdatsiooni energia kogutulemus on 38 ATP molekuli, millest 24 on PVC oksüdatsiooni käigus Krebsi tsüklis koos vesiniku ülekandega ensüümide hingamisahelasse. Seega salvestatakse selles etapis põhiline energiakogus. On tähelepanuväärne, et Krebsi tsükkel on universaalne, s.t. iseloomulik algloomadele, bakteritele ning kõrgemate loomade ja taimede rakkudele.

Tsükli vaheühendeid kasutatakse osaliselt rakulise aine sünteesiks.

Toitainete oksüdatsioon ei ole alati täielik. Mõned aeroobid oksüdeerivad osaliselt orgaanilisi ühendeid, samas kui vahepealsed oksüdatsiooniproduktid kogunevad keskkonda.

Mõned hingamisprotsessis olevad mikroorganismid ei kasuta lõpliku vesiniku aktseptorina hapnikku, vaid oksüdeeritud lämmastikuühendeid (nitritid, nitraadid), kloori (kloraadid ja perkloraadid), väävlit (sulfaadid, tiosulfaatsulfit), süsinikku (CO2), kroomi (kromaate). ja dikromaadid). Seda tüüpi hingamist nimetatakse anaeroobseks.

Mikroorganismid, mis teostavad hingamisprotsessi lämmastiku ja kloori oksüdeerunud ühendite tõttu, on fakultatiivsed anaeroobid. Neil on kaks ensümaatilist süsteemi, mis võimaldavad lülituda aeroobselt hingamiselt anaeroobsele ja vastupidi, olenevalt ühe või teise lõpliku aktseptori olemasolust keskkonnas.

Kui keskkonnas on samaaegselt nitraadid ja molekulaarne hapnik, siis kasutatakse ennekõike aktseptorit, mis võimaldab saada rohkem energiat. Aeroobne hingamine kaasneb kolme fosforüülimisega, anaeroobne - kaks. Kui aga hapniku kontsentratsioon keskkonnas on madal ja nitraatide kontsentratsioon on sellest palju suurem, kasutavad mikroorganismid nitraate. Otsustavaks tingimuseks on sel juhul aktseptori redutseerimisreaktsiooni vaba energia, mis sõltub selle kontsentratsioonist. Anaeroobset hingamist nitraatide abil nimetatakse denitrifikatsiooniks.

Väävli, kroomi, süsiniku oksüdeeritud ühendid mängivad kohustuslike anaeroobide hulka kuuluvate erinevat tüüpi mikroorganismide lõplike aktseptorite rolli.

Sulfaate redutseerivates mikroorganismides on leitud elektronide transpordiahel, mis hõlmab mitmeid ensüüme, kuid nende toimejärjestus jääb ebaselgeks.

Kui sulfaate kasutatakse vesiniku lõpliku aktseptorina, redutseerivad mikroorganismid need sulfiidideks:

(orgaaniline aine - vesiniku doonor) + SO4→H2S + 4H2O

Anaeroobse hingamisega süsihappegaasi abil kaasneb metaani moodustumine.

Lämmastiku, väävli ja raua redutseeritud mineraalühendite oksüdeerimine on kemolitotroofsete mikroorganismide energiaallikas. Kemolitotroofsete mikroorganismide jagamine rühmadesse põhineb iga rühma spetsiifilisusel oksüdeeritava ühendi suhtes. On nitrifitseerivad bakterid, rauabakterid, bakterid, mis oksüdeerivad väävliühendeid.

Nitrifitseerivad bakterid oksüdeerivad ammooniumlämmastiku nitraatideks. Protsessi nimetatakse nitrifikatsiooniks ja see toimub kahes faasis, millest igaüks vastutab oma patogeenide eest:

NH4+2O2→NO2+2H2O+557kJ/mol (1)

2NO2+O2→2NO3+146 kJ/mol (2)

Ammoniaagi oksüdeerimine nitritiks koos elektronide ülekandmisega hingamisahelasse toimib nitrosobakterite rühma energiaprotsessina. Ammooniumlämmastiku oksüdeerimine on mitmeetapiline protsess, mille käigus tekib vaheproduktidena hüdroksüülamiin (NH2OH) ja hüponitrit (NOH). Hingamisahelas oksüdeerunud energiasubstraat on hüdroksüülamiin.

Rauabakterid (kemolitoautotroofid) ei esinda ühtset taksonoomilist üksust. See termin ühendab mikroorganisme, mis oksüdeerivad energia saamiseks redutseeritud rauaühendeid:

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

Kinoonid ja tsütokroomid osalevad elektronide transpordis raudmetallist hapnikku. Elektronide ülekanne on seotud fosforüülimisega.

Nende bakterite energiakasutuse efektiivsus on nii madal, et 1 g rakulise aine sünteesiks peavad nad oksüdeerima umbes 500 g raudkarbonaati.

Väävliühendeid oksüdeerivad ja autotroofseks CO2 assimilatsiooniks võimelised bakterid kuuluvad tioonbakterite rühma. Tioonsete bakterite konstruktiivse metabolismi jaoks vajalik energia saadakse sulfiidide, molekulaarse väävli, tiosulfaatide ja sulfiitide oksüdeerimisel sulfaatideks:

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)

Tioonsete bakterite hingamisahel sisaldab flavoproteiine, ubikinoone, tsütokroome.

CO2 assimilatsiooni mehhanism konstruktiivsetel eesmärkidel kõigis kemolitoautotroofides on sarnane fotosünteetiliste autotroofide mehhanismiga, mis kasutavad vesiniku doonoriks vett. Peamine erinevus seisneb selles, et kemosünteesi käigus ei eraldu hapnikku.

Seega toimuvad rakus üheaegselt konstruktiivsed ja energeetilised protsessid. Enamikus prokarüootides on nad tihedalt seotud. Prokarüootide nii energeetiline kui ka konstruktiivne ainevahetus on äärmiselt mitmekesine, mis tuleneb nende eluvormide võimest kasutada kõige laiemat valikut orgaanilisi ja anorgaanilisi ühendeid energiaallikatena ja kehaainete ehitamise algsubstraatidena.

Energia metabolism tervikuna on seotud rakus toimuvate biosünteetiliste ja muude energiast sõltuvate protsessidega, mille käigus ta varustab energiat, redutseerivat ainet ja vajalikke vahemetaboliite. Kahe tüüpi rakkude metabolismi konjugatsioon ei välista nende suhteliste skaalade mõningast muutumist sõltuvalt konkreetsetest tingimustest.

Prokarüootide energiaprotsessid oma mahult (mastaabilt) ületavad oluliselt biosünteetilisi protsesse ning nende kulg toob kaasa olulisi muutusi keskkonnas. Sellega seoses on mitmekesised ja ebatavalised prokarüootide võimalused, nende energia eksisteerimise viisid. Kõik see kokku on suunanud teadlaste tähelepanu eelkõige prokarüootide energiavahetuse uurimisele.

1. Bakulov I. A. "Prokarüootide energia metabolism" / Veterinaar /, 2006 nr 1 lk 38.

2. Bailey, J. E, Ollis, David F Biokeemiatehnoloogia alused. M.1989.

3. Vorobjov A.A. et al. Mikrobioloogia. M.: Meditsiin. 1994. aasta.

4. Gusev M.V., Mineeva L.A. Mikrobioloogia: õpik. M.: Moskva Riikliku Ülikooli kirjastus, 1992.

5. Emelianenko P.A. et al. Veterinaarmikrobioloogia. M.: Kolos. 1982. aasta.

6. Koleshko O.I. Mikrobioloogia. M.: Kõrgkool. 1982. aasta.

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

8. Radchuk N.A. Veterinaarmikrobioloogia ja immunoloogia. Moskva: Agropromizdat. 1991. aasta

9. N. A. Sudakov “Ainevahetus ja energia” / Loomaarst / 2003 nr 5 lk26.

10. V. N. Syurin “Bakterite konstruktiivne ainevahetus” / Praktik / 2005 nr 4 lk 12.

11. Schlegel G. Üldine mikrobioloogia. M.: Mir.1987.