Как различаются бактерии по способу дыхания

Как дышат бактерии? Аэробы и анаэробы. Особенности дыхания прокариот

Практически все живые организмы на Земле нуждаются в процессе дыхания. Кислород является одним из наиболее распространенных окислителей в дыхательной цепи животных, растений, протистов, многих бактерий. Однако не всем известно, насколько наш организм отличается по сложности строения от маленьких клеток микроорганизмов. Возникает вопрос: как дышат бактерии? Отличается ли их способ получения энергии от нашего?

Все ли бактерии дышат кислородом?

Не все знают, что кислород не всегда является обязательным компонентом в цепи дыхания. Он играет, прежде всего, роль акцептора электронов, поэтому данный газ хорошо окисляется и взаимодействует с протонами водорода. АТФ – это та причина, по которой все живые организмы дышат. Однако многие виды бактерий обходятся без кислорода, и все равно получают такой заветный источник энергии, как аденозинтрифосфат. Как дышат бактерии такого типа?

Процесс дыхания в нашем организме протекает на протяжении двух стадий. Первая из них – анаэробная – не требует наличия кислорода в клетке, и для нее необходимы только источники углерода и акцепторы протонов водорода. Вторая стадия – аэробная – протекает исключительно в присутствии кислорода и характеризуется большим количеством поэтапных реакций.

У бактерий, которые не усваивают кислород и не используют его для дыхания, протекает только анаэробная стадия. По ее окончанию микроорганизмы также получают АТФ, однако его количество очень сильно отличается от того, которое получаем мы после прохождения сразу двух стадий дыхания. Получается, что не все бактерии дышат кислородом.

АТФ – универсальный источник энергии

Для любого организма важно поддерживать свою жизнедеятельность. Поэтому нужно было в процессе эволюции найти источники энергии, которые при использовании смогут дать достаточно ресурсов для протекания всех необходимых реакций в клетке. Сначала появилось брожение у бактерий: так называется этап гликолиза или анаэробный этап дыхания прокариот. И только потом у более совершенных многоклеточных организмов развились приспособления, благодаря которым, с участием атмосферного кислорода КПД дыхания заметно увеличивалось. Так появился аэробный этап клеточного дыхания.

Как дышат бактерии? 6 класс школьного курса биологии показывает, что для любого организма важно получение определенной доли энергии. В процессе эволюции она стала запасаться в специально синтезированных для этого молекулах, которые называются аденозинтрифосфат.

АТФ представляет собой макроэргическое вещество, основой которого является пентозное углеродное кольцо, азотистое основание (аденозин). От него отходят фосфорные остатки, между которыми и образуются высокоэнергетические связи. При разрушении одной из них высвобождается в среднем около 40 кДж, а одна молекула АТФ способна хранить в себе максимум три фосфорных остатка. Так, если АТФ распадается до АДФ (аденозиддифосфат), то клетка получает 40 кДж энергии в процессе дефосфорилирования. И, наоборот, запасание происходит путем фосфорилирования АДФ до АТФ с затратой энергии.

Гликолиз дает клетке бактерии 2 молекулы аденозинтрифосфата, когда аэробный этап дыхания по завершению может снабдить клетку сразу 36 молекулами этого вещества. Поэтому на вопрос «Как дышат бактерии?» ответ можно дать следующий: процесс дыхания для многих прокариот заключается в образовании АТФ без наличия и затраты кислорода.

Как дышат бактерии? Типы дыхания

По отношению к кислороду все прокариоты делятся на несколько групп. Среди них:

1. Облигатные анаэробы.
2. Факультативные анаэробы.
3. Облигатные аэробы.

Первая группа состоит только из тех бактерий, которые не могут жить в условиях доступа кислорода. О2 для них токсичен и ведет к гибели клетки. Примерами таких бактерий могут служить чисто симбиотические прокариоты, которые проживают внутри другого организма в условиях отсутствия кислорода.

Вторая группа объединяет такие виды прокариот, которые активно размножаются и растут при отсутствии кислорода, однако, его небольшое процентное содержание в окружающей среде не ведет к летальным последствиям. К таким бактериям относятся сапрофиты и некоторые паразиты.

Как дышат бактерии третьей группы? Эти прокариоты отличаются тем, что они могут жить только в условиях хорошей аэролизации. Если недостаточно кислорода в воздухе, такие клетки быстро погибают, поскольку для дыхания им жизненно необходим О2.

Чем брожение отличается от кислородного дыхания?

Брожение у бактерий – это тот же самый процесс гликолиза, который у разных видов прокариот может давать различные продукты реакции. Например, молочнокислое брожение приводит к образованию побочного продукта молочной кислоты, спиртовое брожение – этанола и углекислого газа, масляно-кислое – масляной (бутановой) кислоты и т. д.

Кислородное дыхание – это полная цепь процессов, которые начинаются с этапа гликолиза с образованием пировиноградной кислоты, и заканчиваются выделением СО2, Н2О и энергии. Последние реакции проходят в условиях присутствия кислорода.

Как дышат бактерии? Биология (6 класс) школьного курса микробиологии

В школе нам давали лишь простейшие знания о том, как происходит процесс дыхания прокариот. Митохондрий у этих микроорганизмов нет, однако, есть мезосомы – выпячивания цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Но эти структуры играют не самую ключевую роль в дыхании бактерий.

Поскольку брожение – это разновидность гликолиза, то оно протекает в цитоплазме прокариот. Там же находятся многочисленные ферменты, необходимые для проведения всей цепочки реакций. У всех бактерий без исключения сначала образуются две молекулы пировиноградной кислоты, как у человека. И только потом они превращаются в другие побочные продукты, которые зависят от типа брожения.

Заключение

Мир прокариот, несмотря на видимую простоту клеточной организации, полон сложных и порой необъяснимых моментов. Теперь есть ответ, как дышат бактерии на самом деле, ведь не всем из них необходим кислород. Напротив, большинство приспособилось использовать другой, менее практичный способ получения энергии – брожение.

Источник

Дыхание микроорганизмов. Типы дыхания. Классификация микроорганизмов в зависимости от типа дыхания.

Под дыханием понимают совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов. По источникам энергии микроорганизмы делят на:

1.фототрофы – используют энергию солнечного света благодаря пигментам, близким к хлорофиллу (пурпурные серобактерии)

2.хемотрофы – получают энергию за счет окисления неорганических и органических соединений (чаще глюкозу – нитрифицирующие бактерии)

Органеллы дыхания у бактерий – мезосомы, содержащие специальные дыхательные ферменты типа цитохромоксидаз. По типу дыхания микроорганизмы делят на:

1. облигатные аэробы – они способны получать энергию только путем дыхания и нуждаются в О₂ как акцепторе протонов и электронов в окислительно-восстановительных процессах (микобактерии туберкулеза, возбудитель холеры)

2. облигатные анаэробы – способны расти только в среде, лишенной О₂ (для них О₂ токсичен). Для них как тип окислительно-восстановительных процессов характерна ферментация (возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма).

3. Факультативные анаэробы — способны расти как при наличии О₂, так и в отсутствии его. Среди них различают:

— аэротолерантные – могут расти в присутствии атмосферного О₂, но не способны его использовать, так как получают энергию исключительно с помощью брожения (молочно-кислые бактерии)

— факультативно-анаэробные – которые в отсутствии О₂ способны перестраиваться на брожение (энтеробактерии).

Различают микроаэрофилы – нуждаются в малых количествах кислорода (лептоспиры, бруцеллы) и капнофилы – нуждаются в повышенном содержании СО₂ (менингококки, гонококки)

Источник

КЛАССИФИКАЦИЯ БАКТЕРИЙ ПО ТИПАМ ДЫХАНИЯ .МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ АНАЭРОБОВ .

По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на:

1) облигатные (строгие) аэробы,

2) облигатные анаэробы,

3) факультативные (необязательные) анаэробы,

1. Строгие аэробы (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, так как они его используют в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ с дальнейшим включением в цикл трикарбоновых кислот. При этом, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, выделяется значительное количество энергии.

2. Облигатные анаэробы (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens, бактероиды) способны жить и размножаться только в отсутствии свободного кислорода воздуха. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты). При этом выделяется небольшое количество энергии. Акцептором водорода или электронов у анаэробов может быть сульфат. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, муравьинокислое, маслянокислое и пропионовокислое брожение. Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н2О2; понижен окислительно-восстановительный (редокс) потенциал; отсутствуют цитохромы.

3. Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и без него (стафилококки, кишечная палочка). Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Факультативные анаэробы могут осуществлять анаэробное дыхание, которое называется нитратным. Нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака. Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.

4. Микроаэрофилы растут при сниженном парциальном давлении кислорода. Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки), которые лучше культивируются при уменьшенном содержании О2 (около 5%), и микроаэрофильные анаэробы, которые способны расти в анаэробных и микроаэрофильных условиях, но не культивируются в обычной воздушной среде или в СО2.

Выделяют также капнофильные микроорганизмы. Они представляют собой бактерии, растущие в присутствии повышенных концентраций углекислого газа (3-5%). К ним относятся бактероиды, фузобактерии, гемофильные бактерии и др.

Методы культивирования строгих анаэробов:

1) Посев уколом в высокий столбик сахарного агара, который сверху заливается слоем вазелинового масла.

2) Посев на среду Китта-Тароцци (МПБ, глюкоза, кусочки печени или мяса в качестве редуцирующих веществ, сверху среда залита слоем вазелинового масла).

3) Удаление воздуха из среды механическим путем. Используют анаэростаты, из которых выкачивается воздух.

4) Замена воздуха другим индифферентным газом, например азотом, аргоном, водородом.

5) Механическая защита от кислорода воздуха (метод Виньяль-Вейона). Берут стеклянную трубку, один конец которой вытягивают в капилляр, расплавляют агар, в него засевают культуру и затем насасывают агар в стерилизованную трубку, затем капилляр запаивают и трубку помещают в термостат. В среде вырастают колонии, которые можно извлечь, распилив трубку.

6) Химическое поглощение кислорода воздуха, например щелочным раствором пирогаллола.

7) Биологический метод – комбинированный посев культур анаэробов и аэробов. Посев производят на чашку с толстым слоем кровяного агара с глюкозой, разделенную пополам небольшой дорожкой, вырезанной посередине чашки прокаленным скальпелем. На одной половине чашки делают посев культуры аэробов, а на другой – анаэробов. Края чашки смазывают парафином для герметизации и помещают в термостат. Сначала происходит рост аэробов, когда они исчерпывают из чашки кислород, начинается рост анаэробов.

ФЕРМЕНТЫ БАКТЕРИЙ, ИХ СВОЙСТВА ,КЛАССИФИКАЦИЯ .РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Ферменты – биологические катализаторы. Они имеют белковую природу, сравнительно высокий молекулярный вес, высокоспецифичны, быстро действуют, термолабильны, способны сохранять свою активность и после гибели клеток.

Ферменты классифицируются на:

экзоферменты, катализирующие процессы расщепления сложных веществ вне клетки;

эндоферменты – катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки.

По объекту действия они подразделяются:

а) ферменты белкового синтеза – связаны с рибосомами,

б) ферменты энергетического обмена и транспорта питательных веществ, располагаются в ЦПМ и мезосомах,

в) ферменты метаболизма белка,

г) ферменты, расщепляющие углеводы.

Известно более 2000 ферментов, которые объединены в 6 классов:

1) оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы);

2) трансферазы – переносят отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим;

3) гидролазы – ускоряют реакции гидролиза, т.е. расщепление веществ на более простые с присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глюкозидазы);

4) лиазы – разрывают связи между атомами углерода негидролитическим путем (карбоксилазы);

5) изомеразы – превращают органические соединения в их изомеры (фосфогексоизомераза).

6) лигазы – ускоряют синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза).

Кроме этого различают: а) конститутивные ферменты, которые синтезируются клеткой постоянно (лиазы, оксидазы); б) индуктивно-адаптивные – синтезируются только в присутствии субстрата (пенициллиназа, щелочная фосфатаза).

У патогенных микробов есть еще и ферменты агрессии, которые способствуют проникновению, распространению и паразитированию микроорганизмов в макроорганизме (гиалуронидаза, коллагеназа, нейраминидаза, коагулаза, ДНКаза).

Значение ферментов: 1) катализируют процессы дыхания, питания, размножения; 2) используются в диагностике при определении вида возбудителя по биохимическим свойствам. С этой целью применяют среды «пестрого ряда», на которых изучают способность ферментов микробов разлагать углеводы, белки до конечных продуктов обмена. Каждый вид микроба обладает определенным набором ферментов, что обусловлено генотипом. Наибольшая активность у непатогенных микробов. У патогенных микробов биохимическая активность ниже. Ферменты микробов используют в генной инженерии (рестриктазы, лигазы) для получения биологически активных соединений, для получения уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Их добавляют в качестве биодобавок в стиральные порошки для уничтожения загрязнений белковой природы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ САХАРОЛИТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, СОСТАВ СРЕД ГИСА, ЭНДО. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТАЛАЗНОЙ И ОКСИДАЗНОЙ АКТИВНОСТИ. СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БАКТЕРИЙ.

Среда Эндо, в состав которой входят МПА, лактоза и фуксин, обесцвеченный сульфитом натрия. Исходная среда имеет светло-розовый цвет. При разложении лактозы образуется ацетальдегид, который реагирует с сульфитом натрия, при этом колонии окрашиваются в ярко-красный цвет. Поэтому Е. coli, которая разлагает лактозу, при росте на среде Эндо образует красные колонии, а сальмонеллы и шигеллы – бесцветные, т.к. они лактозу не разлагают.

Требования, предъявляемые к питательным средам: стерильность; прозрачность; достаточное содержание основных органических и зольных элементов; наличие факторов роста (витамины, липиды); соответствующий рН (7,2-7,4); изотоничность (0,85% NaCl); определенный окислительно- восстановительный потенциал и вязкость.

Источник