Роль отдельных химических элементов и факторов роста в клеточном обмене

Слайд №7 .Азот. Входит в состав жизненно важных компонентов мик­робной клетки — белков и нуклеиновых кислот. Источники азота для микробов разные, в связи с чем их делят на группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Первые из них синтезируют белок из минеральных или простейших соединений азота, а также из воздуха; вторые используют главным образом готовые аминокислоты. Аминоавтотрофный тип питания свойствен большинству почвенных микробов, аминогетеротрофный — патогенным и некоторым сапрофитам. Установить резкую грань между автотрофами и гетеротрофами не всегда удается. Некоторые патогенные микробы во внешней среде ведут сапрофитный образ жизни, и наоборот, некоторые сапрофиты в зависимости от состояния макроорганизма могут вызывать заболевания. Так, клубеньковые бактерии (аминоавтотрофы) при большом содержании в среде азотсодержащих веществ теряют способность образовывать клубеньки на корнях бобовых растений, используя азот, нахо­дящийся в почве.

Слайд №8 Микробная клетка нуждается в минеральных веществах. Потребность в них невелика, но без некоторых элементов невозможны рост и развитие организма.

Калий. Активизирует ферментативные системы, ускоряет течение физиологических процессов, в связи с чем его нельзя заменить другими элементами.

Магний. Входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу, пептидазу и другие ферменты. Магний в клетке находится в виде ионов.

Фосфор. Входит в состав нуклеиновых кислот, в живой клетке находится в форме окисла (оксида) P₂O₅, принимает активное участие в процессах дыхания (окисления).

Сера. Один из компонентов белков, входящих в состав аминокислот: цистина, цистеина и метионина. Большинство микробов усваивают серу из сернокислых солей. Серо- и тионовые бактерии используют молекулярную серу.

Железо. Необходимо в малых количествах. Оно входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления.

Микроэлементы нужны микробной клетке еще в меньших количествах, но их отсутствие или недостаток ведут к нарушению нормального роста и развития. Молибден, бор, марганец, кобальт, медь и другие микроэлементы являются компонентами многих ферментов и витаминов.

Факторы роста. Активаторы биологических процессов по своему действию напоминают витаминоподобные соединения. Ничтожное количество активаторов в среде изменяет обмен веществ, ведет к увеличению массы микробных клеток. Особенно большую потребность в них испытывают те микроорганизмы, которые не способны синтезировать витамины. Некоторые микробы вырабатывают относительно большое количество факторов роста. В связи с этим, например, пропионовокислые бактерии применяют в промышленности для получения витамина B₁₂ и других биологически активных веществ.

 

 

2. Механизмы метаболизма у микробов

Слайд №9 Питательные вещества в микробную клетку поступают разными способами. Наиболее простой из них — пассивная диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разности их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Путем пассивной диффузии через цитоплазматическую мембрану кроме воды проходят лишь некоторые вещества. Скорость такой диффузии невелика. Она осуществляется без затраты энергии.

При более высокой концентрации веществ в окружающей среде (плазмолиз) происходят сморщивание цитоплазмы и отделение ее от оболочки. Наступает состояние расслабления и вялости, которое приводит к гибели клетки. Подобное явление наблюдается в природе, а иногда его создает искусственно для консервирования продуктов питания человек. Варенье готовят, огурцы солят, капусту квасят путем повышения концентрации растворов углеводов или солей и создания среды, неблагоприятной для развития микробов, что способствует сохранению продукта.

Обратное явление, называемое деплазмолизом, наблюдается при очень низкой концентрации солей в окружающей среде. Жидкость проникает внутрь клетки до тех пор, пока концентрация веществ в клетке и концентрация веществ в окружающей среде не станут равными. Обычно этому предшествует разрыв оболочки. Это происходит, если микробы попадают в дистиллированную воду. Следовательно, как плазмолиз, так и деплазмолиз неблагоприятно влияют на микробов и часто приводят их к гибели.

Перенос веществ субстрата в клетку может осуществляться также и белками-переносчиками пермеазами (транслоказами). Место их синтеза и локализации — цитоплазматическая мембрана. Ферменты пермеазы присоединяют к активному центру молекулу вещества субстрата и переносят ее с наружной поверхности мембраны на внутреннюю, а затем в цитоплазму. Движущей силой такого процесса, который называется облегченной диффузией, служит не только разница в концентрации веществ по обе стороны мембраны, но и ферменты-переносчики (трансаминазы).

Большинство веществ поступает в микробную клетку про­тив градиента концентрации путем активного переноса их пермеазами. Такой процесс требует затраты метаболической энергии (АТФ), которая образуется клеткой в результате окислительно- восстановительных реакций.

Труднорастворимые и крупномолекулярные органические соединения (белки, жиры, углеводы) проникают в микробную клетку после их гидролиза экзоферментами, а минеральные — при диссоциации на ионы. Поступившие в клетку вещества становятся затем источником строительного материала и энергии. Выход продуктов метаболизма из микробной клетки осуществляется с помощью пермеаз путем пассивной или облегченной диффузии.

 

3.Дыхание и брожение у микроорганизмов

3.1 Механизмы дыхательного процесса

Слайд №10 Дыхание микробов представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В итоге окислительно - восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду. В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление — его присоединение.

Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливается окислительно-восстановительным потенциалом.

Энергия, освобождаемая в процессе окислительно- восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединения имеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии.

Датский учёный Йенс Скоу установил, что движение электрического потенциала в клетке осуществляется с помощью фермента АТФ-аза, который назван им «калий-натриевым насосом». Пол Бойер более детально изучил «генератор» — аденозинтрифосфатазу (АТФ-аза) — фермент, который принимает активное участие в синтезе АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

За открытие фермента АТФ-азы, так называемого «калий-натриевого насоса», переносящего ионы в клетке, за описание внутреннего преобразования химической энергии в высокоэнергетическую форму аденозинтрифосфата (АТФ) и электрической энергии в асимметричное распределение ионов по биологическим мембранам Йенсу Скоу, Полу Бойеру и Джону Уолкеру в 1997 г. присуждена Нобелевская премия по химии.

 

3.2 Типы дыхания микроорганизмов

По типу дыхания микробов делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов. Аэробы хорошо растут на поверхности среды, которая соприкасается с воздухом. Анаэробы в такой среде жить не могут, поскольку они приспособлены к существованию при более низком окислительно-восстановительном потенциале.

3.2.1 Аэробное дыхание микроорганизмов. Это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединений образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов — углеводы. При их расщеплении получается важный промежуточный продукт — пировиноградная кислота (пируват). Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и дыхательной цепи.

Слайд № (без №) В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца — до образования диоксида углерода и воды с выделением большого количества свободной энергии:

С₆Н₁₂0₆ + 60₂ -> 6С0₂ + 6Н₂0 (∆ G = -2872 кДж/моль)

 

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, которые образуются плесневыми грибами. Так же осуществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода.

Слайд №11

СН₃СН₂ОН + 0₂ -> СН₃СООН + Н₂0 (∆ G = -494 кДж/моль)

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями может идти и дальше — до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

СН₃СН₂ОН + 30₂ -> 2С0₂ + 3H₂0 (∆ G = -1366 кДж/моль)

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: