Л пастер способы получения энергии бактериями

Способы получения энергии бактериями (брожение, дыхание). Типы дыхания бактерий.

Брожение – примитивный энергетический процесс расщепления глюкозы до ПВК. Образуется в цитоплазме.
Признаки Б. :
Низкий энергетический выход
Сустратный тип фосфорилирования
Акцептор – органические вещества.
В зависимости от конечного продукта выделяют:
Молочнокислое б. – лакто/бифидо бактерии, стрептококки;
Маслянокислое б. – споробразные бактерии
Пропионово-кислое б. – одноклеточные бактерии
Спиртовое брожение – дрожжи рода S.
Дыхание – совершенный энергетический процесс окисления до СО2 и Н2О.
Признаки дыхания:
Высокий энергетический выход (38 АТФ из 1 молекулы глюкозы)
Мембранный тип фосфорилирования (т.е. в лизосомах)
Реакции протекают межмолекулярно
Акцептор – О2 и органические вещества.
Состоит из нескольких этапов:
1) Гликолиз – в цитоплазме клеток образуется ПВК и высвобождаются две молекулы АТФ
2) ЦТК (Цикл Креббса) – влизосомах – ПВК окисляются до СО2 , Н2О, высвобождают 36 молекул АТФ
3) Реакции протекают межмолекулярно
4) Акцептор О2 и органические вещества.
По типу дыхания:
Облигатные (строгие) аэробы развиваются при наличии в атмосфере 20% кислорода (микобактерии туберкулеза), содержат ферменты, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха.
Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем количестве кислорода, и его высокая концентрация хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост (актиноисцеты, бруцеллы, лептоспиры).
Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов — возбудители брюшного тифа, паратифов, кишечная палочка).
Облигатные анаэробы — бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является губительным (клостри-дии столбняка, ботулизма).
Аэробные бактерии в процессе дыхания окисляют различные органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические кислоты и пр.).
Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Процессы разложения органических веществ в безкислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют брожением. В зависимости от участия определенных механизмов различают следующие виды брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами, молочно-кислое, вызываемое мол очно-кислыми бактериями, масляно-кислое и пр.

Для культивирования анаэробных микроорганизмов необходимо создание бескислородных условий, достигаемое различными методами.
Физические методы основаны на создании вакуума в специальных аппаратах — анаэростатах. Иногда воздух в них заменяют каким-либо другим газом, например СО2. Доступ кислорода в питательную среду можно затруднить, если культивировать анаэробов в глубине столбика сахарного агара или среды Вильсона — Блера, налитых в пробирки в расплавленном состоянии и остуженных до 43°С. По методу Вейона — Виньяля расплавленный и остуженный агар с посевным материалом набирают в стеклянные трубочки, которые запаивают с двух концов.
Химические методы заключаются в том, что при культивировании исследуемого материала на плотных средах в эксикатор помещают химические вещества, например пирогаллол и щелочь, реакция между которыми идет с поглощением кислорода. В жидкие питательные среды можно добавлять различные редуцирующие вещества: аскорбиновую или тиогликолевую кислоту.
Биологический метод основан на одновременном культивировании аэробов и анаэробов на плотных питательных средах в чашках Петри, герметически закупоренных. Вначале кислород поглощается растущими аэробами, посеянными на одной половине среды, а затем начинается рост анаэробов, посев которых сделан на другой половине. Наиболее удобна для культивирования анаэробов специальная среда Китта — Тароцци. В нее входят сахарный МПБ, который наливают в пробирки в количестве 10—12 мл, и кусочки вареных паренхиматозных органов. Перед употреблением среду Китта ,— Тароцци кипятят на водяной бане для удаления растворенного в ней кислорода. Среду заливают сверху стерильным вазелиновым маслом. Заметный рост анаэробов (помутнение) может наблюдаться через 48 ч и более в зависимости от количества посевного материала.

Рост изолированных колоний анаэробов можно получить при рассеве исследуемого материала по поверхности кровяно-сахарного агара, разлитого в чашки Петри. После посева чашки помещают в анаэростат. Исследуемый материал в убывающей концентрации можно засевать в высокий столбик агара. Образовавшиеся отдельные колонии анаэробов выделяют, распилив пробирку в месте роста. Колонии анаэробов для получения значительного количества биомассы отсевают затем на среду Китта — Тароцци. В качестве источника энергии для анаэробов используют глюкозу, добавление которой в питательную среду обязательно.

11. Ферменты бактерий. Классификация ферментов: 1) по химической природе; 2) по генетическому контролю. Методы изучения ферментативной активности бактерий и ее использование для идентификации бактерий.
1) По химической природе
* Оксиредуктазы – катализируют ОВР
* Трансферазы – ускоряют ракции перноса атомов в ЦТК и ПФЦ.
* Гидролазы – ускроение гидролитического расщепления белков и углеводов.
Ферменты агрессии:
Гиалуронидаза – расщепляет гиалиновую кислоту соединительной ткани
Нейраминидаза – нейраминовую кислоту слизистых
Коллагеназа – коллаген мышечных волокон (преим. Для клостридий)
Лецитиназа – лецитин мембран эритроцитов и мышечных волокон
Протеиназа – расщепляет иммуноглобулины.
Лиаза – участвует в реакциях расщепления двойных связей или присоединенеия по двойным связям
Изомеразы – обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров
ЛиГазы (синтетазы) – р-ии биосинтеза белка.

2) По генетическому контролю:
Конститутивные – синтезируются в течение всей жизни МО
Адаптивные (индуцибельные) – синтез адаптируется с одним субстратом
Репрессибельные – синтез угнетается избирательным накоплением продуктов реакции.
Эндоферменты – Функционируют внутри клетки
Экзоферменты – выделяются в окружающую среду (гидролазы).
Набор ферментов строго индивидуален для вида.

Изучение биохимических свойств бактерий проводится на дифференциально-диагностических средах (Эндо, Левина, Плоскирева, Ресселя, Гисса и др.).

Дифференциально-диагностические среды делятся на три группы:

1. среды для выявления протеолитических свойства бактерий (МПБ, мясо-пептонный желатин);
2. среды для изучения ферментации углеводов (Эндо, Плоскирева, Гисса, Ресселя);
3. среды для определения гемолитических свойств (кровяной агар).

Изучение протеолитических свойств проводиться с помощью индикаторов, позволяющих обнаруживать образование сероводорода, индола и т.д. при расщеплении белка. Для этого используют индикаторы ацетата свинца (на сероводород) и щавелевой кислоты (на индол). Индикаторы при их использовании изменяют цвет: при выделении сероводорода – чернеют, при выделении индола – краснеют. Для определения ферментации углеводов используются среды Гисса, в состав которых входят глюкоза, лактоза, маннит, мальтоза, сахароза и индикатор Андреде (карболовый фуксин, обесцвеченный содой). При ферментации того или другого углевода среда краснеет. (ПРИМЕРЫ)

Источник

Способы получения энергии бактериями (дыхание, брожение). Методы культивирования анаэробов

Дыхание, или биологическое окисление, основано на окисли­тельно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ-универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление — отдача донорами (молекулами или атомами) во­дорода или электронов; восстановление — присоединение водо­рода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород (такое дыхание называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание называется анаэробным — нитратным, сульфатным, фумаратным).

Анаэробиоз (от греч. аег — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая при отсутствии сво­бодного кислорода. Если донорами и акцепторами водорода яв­ляются органические соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных условиях. С учетом конечного продукта расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.

По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы: облигатные, т.е. обязатель­ные, аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы.

Источник

Микробиология, санитария и гигиена в пищевом производстве

Физиология микроорганизмов

Изучением жизненных функций микроорганизмов, таких как питание, дыхание, рост и размножение, занимается физиология.

Химический состав клетки микроорганизмов

• По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от клеток животных и растений. В них содержится 75-85% воды, остальные 15-25% составляет сухое вещество.
• Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ. Если содержание сухого вещества принять за 100 %, то на долю минеральных веществ приходится 2-14%, остальная часть сухого вещества представлена органическими соединениями: белки — до 52%, полисахариды — до 17%, нуклеиновые кислоты: РНК до 16% и ДНК до 3% , липиды — до 9%.
• Эти соединения входят в состав различных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции. В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества — органические кислоты, их соли, пигменты, витамины и др.

• Значение воды в жизнедеятельности клетки очень велико. Все вещества поступают в клетку с водой и с ней же из клетки удаляются продукты обмена.
• Вода в микробной клетке находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение, но большая ее часть связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.
• Свободная вода принимает участие в реакциях, протекающих в клетке, является растворителем различных химических соединений, а также служит дисперсной средой для коллоидов. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста (у споровых форм микробов воды меньше, чем у вегетативных клеток, наибольшее количество воды отмечается у капсульных бактерий).

• Белки составляют 50 – 80% сухого вещества и определяют важнейшие биологические свойства микроорганизмов. Это простые белки – протеины и сложные белки – протеиды. Большое значение в жизнедеятельности клетки имеют нуклеопротеиды – соединение белка с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Кроме нуклеопротеидов в микробной клетке содержатся в незначительных количествах липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды.
• Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиде. Они входят в состав структуры клеточной стенки. Белковую природу имеют ферменты, многие токсины (яды микроорганизмов).
• От количественного и качественного состава белковых веществ зависит видовая специфичность микроорганизмов.

• Нуклеиновые кислоты в микробной клетке выполняют те же функции, что и в клетках животного происхождения.
• ДНК содержится в нуклеоиде и обуславливает генетические свойства микроорганизмов. РНК принимает участие в биосинтезе клеточных белков, cодержится в ядерной субстанции и в цитоплазме. Общее количество нуклеиновых кислот колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.

• Углеводы составляют 12 – 18% сухого вещества и используются микробной клеткой в качестве источника энергии и углерода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и пр.).
• Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.
• Клетки микроорганизмов содержат простые (моно- и дисахариды) и высокомолекулярные (полисахариды) углеводы. У некоторых бактерий могут быть включения, напоминающие по химическому составу гликоген и крахмал, играющих роль запасных веществ в клетке.
• Углеводный состав у разных видов микроорганизмов различен и зависит от их возраста и условий развития.

• Липиды, составляющие 0,2 – 40% сухого вещества, являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Они участвуют в энергетическом обмене. В некоторых микробных клетках липиды выполняют роль запасных веществ.
• Липиды состоят в основном из нейтральных жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Общее количество их зависит от возраста и вида микроорганизмов. В клетках микроорганизмов липиды могут быть связаны с углеводами и белками, составляя сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.

Значение минеральных веществ

• Минеральные вещества – фосфор, натрий, калий, магний, сера, железо, хлор и другие – в среднем составляют 2 – 14% сухого вещества.
• Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, многих ферментов, а также в состав АТФ, которая является аккумулятором энергии в клетке. Железо содержится в дыхательных ферментах.
• Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активируют их. Соотношение отдельных химических элементов в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизмов, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.

Ферменты, их свойства

• Ферменты– это вещества сложной природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.
• Ферменты микробной клетки в основном локализуются в цитоплазме, некоторые же содержатся в клеточной оболочке.
• Микроорганизмы синтезируют ферменты, относящиеся к шести классам: оксидоредуктазы, лиазы, трансферазы, лигазы, гидролазы, изомеразы.

1. Характерными свойствами ферментов является специфичность их действия, т.е. каждый фермент реагирует с определенным субстратом или катализирует одну или несколько близких химических реакций.

2. Ферменты микроорганизмов классифицируются на экзоферменты и эндоферменты, на конститутивные и адаптивные.

• Экзоферменты, выделяясь в окружающую среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, которые могут быть усвоены микробной клеткой. К экзоферментам относятся гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате гидролиза белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жиры – на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисахариды) – на дисахариды и моносахариды. Расщепление белков вызывают ферменты протеазы, жиров – липазы, углеводов – карбогидразы.
• Эндоферменты участвуют в реакциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.

3. Ферменты бывают конститутивные и адаптивные.

• Конститутивные ферменты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий ее существования. Это в основном ферменты клеточного обмена – протеазы, липазы, карбогидразы и др.
• Адаптивные ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде и когда микроорганизм вынужден усваивать этот субстрат. Индуктивные ферменты позволяют микробной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.

Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенностей:

— поступление питательных веществ происходит через всю поверхность клетки; — микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций;

— микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания.

Разнообразие условий существования микроорганизмов обуславливает различные типы питания.

Обязательными элементами, входящими в состав основного соединения (белка) служат четыре органогена – кислород, водород, углерод и азот.

Источником водорода и кислорода для микроорганизмов служит вода. Вода необходима микробным клеткам и для растворения питательных веществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

Источником азота и углерода для большинства микроорганизмов являются различные химические соединения (органические и неорганические). Некоторые виды микроорганизмов способны усваивать элементарный азот непосредственно из воздуха, а углерод – из углекислоты.

• По отношению к углероду микроорганизмы делят на: автотрофы, которые для создания новых клеток применяют диоксид углерода и гетеротрофы, которые для своего развития потребляют уже готовые органические соединения.
• К автотрофным относят бактерии, которые располагаются в почве, серобактерии, железобактерии, а также многие другие типы.
• Гетеротрофные микроорганизмы могут осуществлять утилизацию умерших организмов, поэтому их называют сапрофитами. Также встречаются в большом количестве бактерии, которые могут вызывать различные патологические заболевания, как у животных, так и у человека. Эти виды бактерий называются патогенными. Они в свою очередь делятся на облигатных и факультативных паразитов. Облигатные паразиты могут комфортно существовать только внутри клетки (вирусы).
• Все микроорганизмы, которые используют для жизнедеятельности неорганические соединения, называются литотрофные. А те микроорганизмы, которые питаются органическими веществами, называются орнатрофами.

Микроорганизмы могут получать энергию из различных источников, благодаря чему их также можно поделить на фототрофы (водоросли) и хемотрофы, которые нуждаются в химическом способе получения энергии.

Организмы классифицируют по их основным источникам энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, в то время как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию из реакций окисления.

Типы дыхания (отношение к кислороду)

Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны.

В 1861 г . Французский ученый Л. Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода.

По этому признаку (типам дыхания) Л. Пастер разделил микроорганизмы на две группы — аэробы и анаэробы.

• Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха.

К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО₂ и Н₂ О.

• Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

• При неполном окислении энергетического материала высвобождается соответственно меньшее количество энергии. Часть потенциальной энергии окисляемого вещества остается в продуктах неполного окисления.

Например, уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды:

• Анаэробы(от греч. an — отрицательная частица и аэробы), организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности расщеплением органических и неорганических веществ. Термин «анаэробы» ввёл Л.Пастер, открывший в 1861 микробы маслянокислого брожения.
• Анаэробы — это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями.

Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение.

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных, или строгих, анаэробов. К ним относят возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма.

Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют факультативными, или условными анаэробами, это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей, дрожжи и др.

Источник