Питание микроорганизмов его способы

Питание бактерий

Питание бактерий – это процесс поглощения и усвоения бактериальной клеткой пластического материала и энергии в результате преобразовательных реакций [4] .

Питание является неотъемлемой функцией каждого живого организма. В процессе питания организм получает вещества, идущие на синтез клеточных структур и служащие источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. Для питания микроорганизмов необходимы те же элементы, что и для животных, и растений. Первоочередные элементы питания – углерод, азот, кислород, водород, являющиеся основой всех органических веществ, которые входят в состав живой клетки как прокариоритеческих так и эукариоэтических организмов [5] .

Типы питания бактерий чрезвычайно разнообразны. Различаются они в зависимости от способа поступления питательных веществ бактериальной клетки, источников углерода и азота, способа получения энергии, природы доноров электронов [4] .

Содержание:

Способы поступления питательных веществ

По способам поступления питательных веществ бактерии подразделяются на:

• голофиты (греч. holos – полноценный и греч. phyticos – относящийся к растениям) – бактерии неспособные выделять в окружающую среду ферменты, расщепляющие субстраты, потребляют вещества только в растворенном, молекулярном виде;
• голозои (греч. holos – полноценный и греч. zoikos – относящийся к животным) – бактерии, обладающие комплексом ферментов, обеспечивающие внешнее питание – расщепление субстратов до молекул вне бактериальной клетки, после чего молекулы питательных веществ транспортируются внутрь бактерии[4] .

Гетеротрофные бактерии: культура Erwinia amylovora

Источники углерода

По источникам углерода различают:

• автотрофы (греч. autos– сам, trophe – пища) – бактерии, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (CO₂), из которого осуществляют синтез всех углеродосодержащих веществ;
• гетеротрофы (греч.geteros– другой, trophe– пища) – бактерии, использующие в качестве источника углерода различные органические вещества в молекулярной форме (многоатомные спирты, углеводы, жирные кислоты, аминокислоты) [4] .

Наибольшая степень гетеротрофности отмечается у прокариот, живущих только внутри других живых клеток, в частности хламидий и риккетсий [4] .

Источники энергии

В зависимости от используемых источников энергии бактерии подразделяют на два типа:

• фототрофы – бактерии способные использовать солнечную энергию;
• хемотрофы – бактерии, получающие энергию при окислительно-восстановительных реакциях [4] .

Хемоорганотрофные бактерии

Pectobacterium carotovorum ssp. carotovorum вытекают из тканей капусты [6] .

Природа доноров электронов

• литотрофы (греч. litos – камень) – бактерии, использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества: водород (Н₂), сероводород (Н₂S), аммиак (NH₃), серу (S), углекислый газ(CО₂₎, ионы железа (Fe₂₊) и многие другие;
• органотрофы – бактерии, использующие в качестве донора электронов органические соединения (углеводы, аминокислоты) [4] .

В зависимости от источника энергии и природы донора электронов возможно четыре основных типа энергетического метаболизма: хемолитотрофия, хемоорганотрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия. Таки образом, бактерии разделяют на:

• хемолитотрофы – бактерии, получающие энергию при окислительно-восстановительных реакциях и использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества;
• хемоорганотрофы – бактерии, получающие энергию при окислительно-восстановительных реакциях и использующие в качестве донора электронов органические соединения;
• фотолитотрофы – бактерии, получающие энергию в результате фотосинтеза (солнечная энергия) и использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества;
• фотоорганотрофы – бактерии, получающие энергию в результате фотосинтеза (солнечная энергия) и использующие в качестве донора электронов органические соединения [2] .

Источники углерода, энергии и доноров электронов

Каждый тип энергетического метаболизма осуществляется на базе различных биосинтетических способностей организма. Как отмечалось выше, прокариоты, прежде всего, делятся на автрофов и гетеротрофов. В последствие, те же микроорганизмы распределяются ещё по группам: фототрофы, хемотрофы, литотрофы, органотрофы [3] .

Следовательно, выделяется восемь сочетаний типов энергетического и конструктивного метаболизма, отражающие возможности способов питания прокариот:

Способы питания прокариот представлены в Таблице 1 [2] .

Всем перечисленным способам питания соответствуют реально существующие прокариоты. Однако число видов, относящихся к той или иной группе, далеко не одинаково. Большинство видов сосредоточено в группе с хемоорганогетеротрофным типом питания. В числе фотосинтезирующих прокариот (фототрофов) подавляющее число (все цианобактерии, большинство пурпурных и зеленых серобактерий) – фотолитотрофы [2] .

Кроме указанных восьми типов питания, отмечается существование миксотрофов – организмов, способных одновременно использовать различные возможности питания. Например, способные одновременно окислять органические и минеральные соединения или использующие в качестве источника углерода, как диоксид углерода, так и органические вещества [3] .

Источник

Тема 13. Питание микроорганизмов

Тема 13. Питание микроорганизмов

1. Питание микроорганизмов, физиологические группы питания

2. Химические вещества как питательные субстраты

3. Особенности ферментов микроорганизмов

1. Питание микроорганизмов, физиологические группы питания

Питание клеток микроорганизмов – процесс включения в метаболические реакции любого характера тех или иных соединений внешней среды.

Питательное вещество — любое химическое вещество, способное удовлетворять энергетические и/или биосинтетические потребности клетки.

Принципы питания микроорганизмов:

1. Все химические элементы, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов, подразделяют на макро — и микроэлементы. Из макро — и микроэлементов бактерии синтезируют все вещества, необходимые для построения клетки: белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, липиды и т. д.

2. Многие микроорганизмы нуждаются в факторах роста. Эти микроорганизмы называются ауксотрофные. Прототрофные микроорганизмы способны синтезировать все необходимые для себя соединения.

3. В зависимости от использования источников углерода все микроорганизмы разделяются на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы – способны усваивать СО2 воздуха в качестве единственного источника углерода и синтезировать из него органические вещества своих клеток (например, многие фототрофы). Гетеротрофы – организмы, которые нуждаются в готовых органических веществах. Наибольшая степень гетеротрофности присуща облигатным внутриклеточным паразитам. Гетеротрофные организмы, которые от других организмов не зависят, но нуждаются в готовых органических соединениях, называются сапрофиты.

4. Как автотрофы, так и гетеротрофы подразделяют на две группы в зависимости от того, какой источник энергии они используют: фототрофы используют энергию света и трансформируют ее в химическую, хемотрофы используют энергию реакций окисления-восстановления.

5. Органотрофы — организмы, которые используют в качестве доноров электронов органические соединения, литотрофны — организмы, способные использовать в качестве доноров электронов неорганические вещества.

2. Химические вещества как питательные субстраты

Источники углерода и энергии. Организмы, которые получают энергию с помощью фотосинтеза или путем окисления неорганических соединений, способны в большинстве своем использовать СО2 в качестве главного источника углерода. Эти С-автотрофные организмы восстанавливают СО2. Все остальные организмы получают клеточный углерод главным образом из органических веществ (например, целлюлозы и крахмала, белков и т. д.).

Азот. Одним из основных элементов, из которых построены клетки микроорганизмов, является N (наряду с С, Н2, О2 ). Большинство прокариот потребляют азот в восстановленной форме в виде солей аммония и аммиака. Многие бактерии используют органические азотсодержащие вещества – белки, аминокислоты, мочевину, разрушая их с выделением аммиака. Окисленные формы азота: нитраты, нитриты – также могут усваиваться различными группами бактерий. Ряд бактерий способны использовать атмосферный азот.

Потребности в источниках серы и фосфора. Сера входит в состав аминокислот, витаминов и кофакторов. В природе сера находится в форме неорганических солей, в виде молекулярной серы, входит в состав органических соединений. Большинство прокариот потребляют серу в форме сульфата, который при этом восстанавливается до уровня сульфида. Однако некоторые группы прокариот нуждаются в восстановленных соединениях серы. Фосфор – необходимый компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов. Основной формой фосфора в природе являются фосфаты.

Необходимость ионов металлов. Всем прокариотам необходимы металлы, которые могут использоваться в форме катионов неорганических солей. Некоторые из них (магний, кальций, железо) нужны в высоких концентрация, потребность других (цинк, медь и др.) невелика. Роль металлов определяется тем, что они входят в состав основных клеточных метаболитов.

3 Ферменты микроорганизмов

Ферменты — это вещества белковой природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими специфичными катализаторами.

Ферменты бактерий локализуются в основном в цитоплазме, некоторые содержатся в ядре и клеточной оболочке. Микроорганизмы могут синтезировать разнообразные ферменты из шести известных классов. Активность ферментов зависит от температуры среды, рН и других факторов.

Особенности ферментов микроорганизмов:

1. Работа ферментных систем выполняются с высокой интенсивностью.

2. Микроорганизмы характеризуются большой скоростью прироста биомассы. Это позволяет на протяжении коротких промежутков времени (за 1-3 суток) получать огромное количество сырья для выделения ферментов.

3. Содержание отдельных ферментов в клетках микроорганизмов может быть очень высоким: достигать до 40-60% от всех растворимых белков.

4. Ферменты микроорганизмов классифицируются на экзоферменты и эндоферменты. Экзоферменты в большом количестве выделяются в культуральную среду. Эндоферменты участвуют в реакциях обмена веществ.

5. Различают конститутивные и индуктивные ферменты. Конститутивные ферменты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий существования. Это в основном ферменты клеточного обмена: протеазы, липазы и др. Индуктивные ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде, и когда микроорганизм вынужден его усваивать.

6. Способность микроорганизмов развиваться в экстремальных условиях, т. е. при низких и высоких температурах, в отсутствие молекулярного кислорода, в кислых и щелочных средах, при высоких концентрациях солей, определяется часто характером их ферментов.

7. Большой интерес как продуценты ферментов представляют анаэробные микроорганизмы. Многие анаэробные бактерии превращают аминокислоты, пурины, пиримидины и другие субстраты путями, отличными от тех, которые известны для аэробных микроорганизмов, животных и растений.

8. Ряд ферментов обнаружены только у микроорганизмов. К таким ферментам относятся: рацемазы аминокислот; кератиназы, гидролизующие белки – кератины, входящие в состав волоса, перьев, копыт; нитрогеназа, которая участвует в образовании аммиака из молекулярного азота и другие.

Характерной особенностью некоторых бактерий является их способность окислять неорганические субстраты: аммиак, нитриты, сульфид и другие соединения серы, а также двухвалентное железо, что связано с наличием у них особых ферментов. Именно благодаря способности ферментов, образуемых микроорганизмами, разрушать компоненты пластмасс, пестициды и другие ядовитые соединения, возможна очистка окружающей среды от ряда веществ-загрязнителей.

Штаммы-продуценты и их культивирование. Среди выделенных из различных источников штаммов микроорганизмов найдены многие активные и производственно ценные продуценты ферментов. Однако наиболее высокопродуктивные штаммы во многих случаях получены с помощью различных физических и химических мутагенов, генноинженерными способами.

Использование ферментов микроорганизмов: они применяются в различных областях промышленности, сельского хозяйства, медицины. Применение ферментов в сельском хозяйстве: 1) использование в рационах животных; 2) обработка кормов ферментами для повышения их усвояемости. Микробные ферменты используются в различных областях медицины как лечебные вещества и при проведении клинических анализов. Использование микробных ферментов в медицине весьма перспективно, но требуется высокая степень очистки ферментов, а также из-за белковой природы веществ, необходимо проверять их на антигенное и аллергенное действие.

Источник

Особенности питания бактерий: типы и механизмы питания, факторы роста, ферменты бактерий

Особенности питания бактерий

Типы питания микроорганизмов

Чтобы бактерии могли осуществлять нормальные процессы жизнедеятельности, им нужны определенные химические вещества. Среди них — калий, фосфор, углевод, азот, сера и др. Поэтому тема питания бактерий в микробиологии крайне важна.

Тип питания бактерий зависит от источника получения ими углерода. Бактерии по типу питания делятся на:

• автотрофы. Такие микроорганизмы используют для образования органических соединений, которые потом послужат основой для строения тела, диоксид углерода и прочие неорганические вещества. Среди таких неорганических веществ можно назвать серобактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и др;
• гетеротрофы. Это группа микроорганизмов, которые употребляют в пищу уже готовые органические вещества. В группе гетеротрофов выделяют сапрофитов (организмы, которые утилизируют остатки отмерших организмов) и паразитов (организмы, которые питаются за счет организма своего хозяина).

Еще одна классификации бактерий по типу питания основана на виде окисляемого субстрата, который является донором водорода или электронов. Выделяют:

• литотрофные микроорганизмы. В качестве доноров водорода они используют неорганические соединения;
• органотрофные микроорганизмы. В качестве доноров водорода они используют органические соединения.

Также деление бактерий по способам питания зависит от источника энергии. Выделяют:

• фототрофы. К ним относят фотосинтезирующие организмы.
• хемотрофы. К ним относят организмы, которые используют химические источники энергии.

Факторы роста

Микроорганизмы нуждаются в дополнительных компонентах, чтобы они могли расти на питательных средах. Такие компоненты называются факторами роста.

Факторы роста — соединения, которые нужны микроорганизмам для роста, и которые они не могут самостоятельно вырабатывать.

Факторы роста добавляются в питательные среды.

Соединения, относящиеся к факторам роста:

• аминокислоты, участвующие в построении белков;
• пиримидины и пурины, образующие нуклеиновые кислоты;
• витамины, входящие в состав отдельных ферментов.

В зависимости от того, как микроорганизмы относятся к факторам роста, они делятся на прототрофы и ауксотрофы:

Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста.

Прототрофы синтезируют необходимые для роста соединения самостоятельно. Их особенность в том, что они способны создавать компоненты из солей глюкозы и аммония.

Механизмы питания бактерий

Есть целый ряд факторов, обуславливающих поступление веществ в бактериальную клетку. Это:

• pH среда;
• растворимость молекул в воде или липидах;
• концентрация веществ;
• различные факторы, которые влияют на проницаемость мембран и др.

Цитоплазматическая мембрана — основной регулятор поступления в клетку различных соединений.

Существуют (условно) 4 механизма поступления в клетку веществ:

1. Простая диффузия. Вещества перемещаются за счет того, что существует разница концентраций по разным сторонам ЦМП. В процессе такого транспорта не тратится энергия. Органические молекулы и медицинские препараты в большинстве случаев проходят через липидный слой цитоплазматической мембраны. В отдельных случаях они проходят по каналам ЦМП, которые заполнены водой.
2. Облегченная диффузия. В этом случае вещества также перемещаются за счет разницы концентраций по разным сторонам ЦМП. Такое перемещение возможно только в том случае, если есть специфические молекулы-переносчики, которые находятся в ЦМП. Каждый такой переносчик может перемещать через мембрану конкретное вещество.

Пример 1

К примеру, пермеазы выступают как белки-переносчики. Пермеазы синтезируются в цитоплазматической мембране.

1. Активный транспорт. Он протекает при участии пермеаз — в направлении от веществ с меньшей концентрацией к веществам с большей концентрацией. В процессе расходуется АТФ, образованная в результате окислительно-восстановительных процессов в клетке.
2. Транслокация или перенос групп. Этот процесс похож на предыдущий, но отличается тем, что в процессе переноса молекула видоизменяется (например, фосфорилируется). Выход веществ из клетки осуществляется в результате диффузии с участием транспортных систем.

Мы рассмотрели типы и механизмы питания бактерий. Теперь обратимся к ферментам.

Ферменты бактерий

Ферменты — белковые соединения, которые принимают участие в таких процессах как анаболизм и катаболизм, а также распознают нужные субстраты, взаимодействуют с ними и ускоряют химические процессы.

Выделяют эндоферменты — они катализируют метаболизм, который протекает внутри клетки.

Есть еще экзоферменты — это ферменты, выделяемые бактериальной клеткой в окружающую среду. Они расщепляют макромолекулы питательных сред до простых веществ, которые клетка легко усваивает.

Отдельные экзоферменты, к примеру, пенициллиназа, инактивируют антибиотики, выполняя тем самым защитную функцию.

Конститутивные ферменты синтезируются клеткой непрерывно. Этот процесс не зависит от наличия субстратов в питательной среде.

Индуцибельные или адаптивные ферменты могут синтезироваться клеткой только в том случае, если в среде есть субстрат этого фермента.

Ферменты агрессии призваны разрушать клетки и ткани. Благодаря этому бактерии и их токсины получают возможность широкого распространения. К таким ферментам относятся коллагеназа, дезоксирибонуклеаза, гиалуронидаза, лецитовителлаза, нейраминидаза и др.

Ферменты бактерий делятся на классы:

• ферменты окислительно-восстановительные или оксидоредуктазы. К ним относятся оксидазы, дегидрогеназы;
• трансферазы. Их задача — перенос атомов и радикалов;
• гидролазы. Этот класс ферментов участвует в процессах гидролиза. Среди ферментов выделяют фосфатазы, эстеразы, глюкозидазы и др;
• лиазы. Они отщепляют группы веществ от субстратов при помощи негидролитического способа. Это карбоксилазы;
• изомеразы. Они могут преобразовывать органические вещества в изомеры. Это фосфогексоизомераза;
• синтетазы или лигазы. Они катализируют синтез сложных веществ из простых. Это глютаминсинтетаза и аспарагинсинтетаза.

Источник