Способ синтеза атф у бактерий

Способ синтеза атф у бактерий

Синтез АТФ осуществляется тремя способами: фотосинтетическое фосфорилирование, окислительное фосфорилирование (сопряжённое с транспортом электронов по дыхательной цепи) и субстратное фосфорилирование.

В первых двух процессах преобразование поступившей с потоком электронов энергии в энергию фосфоэфирных связей АТФ осуществляет особый фермент — АТФ-синтетаза. Этот фермент присутствует во всех мембранах, участвующих в преобразовании энергии (мембраны бактерий, митохондрий и хлоропластов). АТФ-синтетаза катализирует присоединение неорганического фосфата (Фн) к АДФ, образование которого осуществляет аде-нилаткиназа (АМФ + АТФ = 2 АДФ). Активность АТФ-синтетазы можно обнаружить по обратной реакции гидролиза АТФ: АТФ + Н20 = АДФ + Фн + Н+. Благодаря обратимости реакции фосфорилирования, накопившийся АТФ может быть использован для создания протонного градиента, обеспечивающего энергией движение жгутиков и осмотическую работу. Энергия также направляется для обратного переноса электронов, необходимого для восстановления никотинамидадениндинуклеотида (НАД) при использовании бактериями неорганических доноров электронов (S03, N03, Fe2+ и др.).

Получение энергии в процессе фотосинтеза. Бактерии фототрофы. Реакции фотосинтеза.

Получение энергии в процессе фотосинтеза. Основной источник энергии для жизни на Земле — Солнце, но непосредственно утилизировать энергию инсоляции в мире бактерий способны лишь немногочисленные бактерии фототрофы [от греч. photos, свет, + trophe, питание]. Фотосинтезирующие бактерии, подобно растениям, превращают энергию видимого света в протонный потенциал на энергопреобразующей мембране. В последующем с помощью АТФ-синтетазы энергия консервируется в АТФ. Основной признак, отличающий фотосинтегические реакции у пурпурных и зелёных бактерий от таковых у растений и цианобактерий, — отсутствие выделения кислорода (так как в качестве донора электронов они используют не воду, a H2S или органические вещества). У бактерий аналог хлоропластов растительных клеток — хроматофоры, содержащие хлорофилл и каротиноидные пигменты.

Таким образом, под фотосинтезом понимают происходящее в клетках фототрофных организмов преобразование световой энергии в биохимически доступную энергию (протонный градиент на мембране тилакоидов и хлоропластов, АТФ) и восстановительную силу НАДФН+, а также связанный с этим синтез клеточных компонентов. Реакции фотосинтеза протекают в две стадии (световая и темновая фазы).

Световая фаза фотосинтеза. Под действием фотонов электрон хроматофора активируется, затем он возвращается в исходное состояние. При этом высвобождается энергия, используемая для создания протонного градиента, а затем синтеза АТФ и восстановления никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ) до НАДФН+. Последнее может происходить за счёт обратного транспорта электронов с затратой АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза. Образовавшиеся макроэргические соединения используются для ассимиляционного восстановления С02 в глюкозу. Глюкоза содержит значительное количество энергии (около 690 ккал/моль), что и используют гетеротрофные бактерии, разлагая глюкозу и запасая энергию в универсальном хранителе — АТФ.

Источник

Синтез АТФ – полное руководство

Синтез АТФ определение

АТФ-синтаза представляет собой фермент, который непосредственно генерирует аденозинтрифосфат (АТФ) в процессе клеточное дыхание, АТФ является основной энергией молекула используется в клетках. АТФ-синтаза образует АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Pi) через окислительного фосфорилирования Это процесс, в котором ферменты окисляют питательные вещества с образованием АТФ. АТФ-синтаза встречается во всех жизненных формах и поддерживает все клеточные активности.

Функция АТФ-синтазы

Функция АТФ-синтазы заключается в продуцировании АТФ. АТФ необходим для питания всех клеточных процессов, поэтому он постоянно используется клетками и постоянно нуждается в производстве. Каждая АТФ-синтаза может производить около 100 молекул АТФ каждую секунду. Эукариоты, такие как растения, животные и грибы, у органелл называется митохондрии которые в основном функционируют как производители АТФ. Растения также имеют хлоропласты, которые содержат АТФ-синтазу и могут производить АТФ из солнечного света и углекислого газа. бактерии и археи, из которых состоят прокариоты, не имеют митохондрий, но продуцируют АТФ посредством аналогичных процессов клеточного дыхания в их плазматическая мембрана, Во всех формах жизни АТФ-синтаза имеет в основном одинаковую структуру и функцию. Следовательно, считается, что он эволюционировал на ранних этапах эволюции жизни и был бы найден у последнего общего предка всей жизни на Земле.

Структура АТФ-синтазы

Синтез АТФ состоит из двух частей. Часть, встроенная в мембрану митохондрий (у эукариот), тилакоидную мембрану хлоропласт (только у растений) или плазматическая мембрана (у прокариот) называется ФО. Это двигатель, который питается от ионов H +, протекающих через мембрану. Часть в митохондриях, строма хлоропласта, или внутри бактериального или археального клетка называется F1-ATPase. Это еще один двигатель, который используется для генерации АТФ. Считается, что эти две части были двумя отдельными структурами с двумя различными функциями, которые в конечном итоге превратились в АТФ-синтазу. Область FO похожа на ДНК-геликазы (ферменты, которые распаковывают ДНК, чтобы ее можно было использовать в качестве матрицы для размножения), в то время как область F1-АТФазы похожа на моторы H +, которые позволяют жгутикам, подобным плечевым придаткам, у некоторых бактерий, двигаться. F1-АТФаза имеет центральный стебель и ротор, который при включении преобразует АДФ и Пи в АТФ.

Это рендеринг структуры АТФ-синтазы. FO показан синим и фиолетовым, а F1-АТФаза показана красным.

Синтез АТФ

АТФ производится разными способами: через клеточное дыхание в митохондриях, во время фотосинтез в хлоропластах растений, а также через внутреннюю мембрану бактерий и архей, у которых нет митохондрий. Хотя методы производства АТФ различаются у разных типов организмов, все они следуют одинаковой базовой процедуре.

В митохондриях эукариот молекулы NADH и FADH2, которые являются продуктами цикла лимонной кислоты, передают электроны вниз цепь переноса электронов где они путешествуют через три различных белковых комплекса. Этот процесс высвобождает энергию, и эта энергия позволяет протонам (ионам H +) перемещаться по градиенту протонов через белковые комплексы, которые действуют как протонные насосы. Поток этих протонов вниз по градиенту поворачивает ротор и стебель АТФ-синтазы, что делает возможным фосфатная группа соединяться с аденозиндифосфатом (АДФ), образуя АТФ. В хлоропластах процесс аналогичен, за исключением того, что световая энергия – это тип энергии, которая возбуждает электроны, заставляя их течь по цепочке переноса электронов и позволяя ионам H + проходить через мембрану в хлоропласте. Эти методы похожи у очень разных организмов, поскольку способность генерировать АТФ существовала у общего предка всех живых организмов.

• Аденозинтрифосфат (АТФ) – Основная энергетическая молекула, используемая клеткой.
• эукариоты – Организмы, которые имеют эукариотические клетки, которые являются сложными клетками с истинным ядром и органеллами.
• Митохондрии – органеллы в клетках эукариот, продуцирующих АТФ.
• хлоропластов – Органеллы в растение клетки, которые, в дополнение к митохондриям, продуцируют АТФ посредством фотосинтеза.

викторина

1. Какие организмы не имеют митохондрий?A. бактерииB. животныеC. растенияD. Грибы

Ответ на вопрос № 1

верно. Бактерии не имеют митохондрий, а вместо этого производят АТФ через молекулы АТФ-синтазы, которые находятся в их внутренних мембранах. Археи, не перечисленные выше, также не имеют митохондрий; археи и бактерии являются прокариотами и не имеют истинного ядра или других клеточных органелл.

2. Какой компонент не является частью процесса синтеза АТФ?A. Электронная транспортная цепьB. Протонный градиентC. ЖгутикиD. Ротор и стебель АТФ-синтазы

Ответ на вопрос № 2

С верно. Варианты A, B и D являются этапами синтеза АТФ. Жгутики – это похожие на руку придатки, которые есть у некоторых бактерий; они позволяют бактериям двигаться. Жгутики имеют двигатели H +, которые аналогичны F1-АТФазе, одному из компонентов АТФ-синтазы.

3. Какая часть АТФ-синтазы является двигателем?A. FOB. F1-АТФазыC. ОбеD. ни

Ответ на вопрос № 3

С верно. Обе части АТФ-синтазы, FO и F1-АТФаза, являются двигателями. FO – это двигатель, который питается от градиента протонов через мембрану, что происходит потому, что цепь переноса электронов высвобождает энергию. F1-АТФаза также является двигателем; это похоже на двигатели в жгутиках некоторых бактерий. Действие FO превращает F1-ATPase в генератор ATP.

Источник

Особенности питания бактерий-хемосинтетиков

Хемосинтез | Биология

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

• автотрофное питание,
• энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

• источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,
• характерен только для ряда бактерий и архей;
• клетки не содержат хлорофилла;
• в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO2, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH), уксусная кислота (CH3COOH), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др. Как видно, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т. е. он выступает в роли окислителя.

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

Железобактерии

Представители железобактерий: нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы.

Распространены в пресных и морских водоемах. Образуют отложения железных руд.

Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3 + 4CO2 + E (энергия)

Кроме энергии в этой реакции получается углекислый газ, который связывается в органические вещества.

Кроме бактерий окисляющих железо, существуют бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями. Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах. Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S + E

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев. Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактер, нитрозомонас, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах. Энергию получают за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при гниении белков. Окисление бактериями аммиака приводит к образованию азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E

Две реакции не равноценны по выделению энернгии. Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты – только около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, которые обеспечивают плодородие почвы.

Водородные бактерии

В основном распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органики микроорганизмами.

2H2 + O2 → 2H2O + E

Данная реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи строгие анаэробы, обитают в бескислородной среде.

Хемосинтез идет без участия кислорода. Чаще всего восстанавливают углекислый газ до метана водородом:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + E

Роль хемосинтезирующих бактерий на земле

Хемосинтез — это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии не­органических соединений.

Данный процесс был открыт выдающимся русским ученым С.Н. Виноградским в 1887 го­ду. К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соотвественно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неоргани­ческие вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

2NH3 +302 → 2HNO2 + 2Н20 + 663 кДж,

2HN02 + 02 →2HN03 + 192 кДж.

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях и до серной кислоты:

H2S + 02 → 2Н20 + 2S + 272 кДж,

2S + 302 + Н20 → H2S04 + 483 кДж.

Железобактерии окисляют соли железа:

4FeC03 + 02 + 6Н20 →4Fe(OH)3 + 4С02 + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2Н2 + 02 → 2Н20 + 235 кДж.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий вы­ступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических цик­лах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического ве­щества на планете, т. е. продуцентами, а также делают доступным и для растений, и для других организмов целый ряд неорганических веществ.

Дата публикования: 2014-10-19; Прочитано: 2637 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…

Хемосинтез, примеры хемосинтетических бактерий

Другой группой автотрофных организмов являются хемосинтезирующие бактерии, которые в качестве источника энергии для синтеза органических соединений из неорганических используют энергию ОВР.

Хемосинтез открыл в 1889–1890 гг.

русский микробиолог С. Н. Виноградский.

Суть процесса заключается в том, что хемосинтезирующие бактерии окисляют различные неорганические вещества (водород, сероводород, аммиак, оксид железа и др.), а энергия, выделившаяся при этом, запасается в форме АТФ.

Примеры хемосинтезирующих бактерий:

Бесцветные серобактерии обитают в водоемах, богатых сероводородом.

Энергию, необходимую для синтеза органических веществ они извлекают, окисляя сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S +E↑

Выделяющаяся свободная сера накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода не достаточно, то бесцветные серобактерии могут окислять свободную серу до серной кислоты:

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SО4 +E↑

Нитрифицирующие бактерии широко распространены в почве и водоемах.

Они окисляют аммиак и азотистую кислоту до азотной кислоты.

Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Бактерии, которые окисляют аммиак, выделяющийся при гниении белков, до азотистой кислоты называются нитросомонас:

2NH3+ 3O2 → 2HNO2 + 2H2O+E↑

Другая группа нитрифицирующих бактерий (нитробактер) окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты:

Железобактерии во множестве обитающие в болотной воде окисляют двухвалентное железо до трехвалентного железа.

Этот процесс имеет большое значение для образования железных руд.

Хемосинтетические бактерии играют важную роль в круговороте веществ в биосфере.

Азотфиксирующие бактерии единственные организмы на Земле, которые усваивают свободный азот атмосферы и вовлекают его в круговорот веществ.

Примером таких бактерий являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клубеньках на корнях бобовых растений. В круговороте азота также большое значение имеют нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, имеют значение для отложения железных и марганцевых руд.

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот.

Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

• автотрофное питание,
• энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

• источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,
• характерен только для ряда бактерий и архей;
• клетки не содержат хлорофилла;
• в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO2, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH), уксусная кислота (CH3COOH), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др.

Как видно, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т.

е. он выступает в роли окислителя.

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

Железобактерии

Представители железобактерий: нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы.

Распространены в пресных и морских водоемах. Образуют отложения железных руд.

Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3 + 4CO2 + E (энергия)

Кроме энергии в этой реакции получается углекислый газ, который связывается в органические вещества.

Кроме бактерий окисляющих железо, существуют бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями.

Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах.

Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S + E

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев.

2.5.1. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактер, нитрозомонас, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах.

Энергию получают за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при гниении белков. Окисление бактериями аммиака приводит к образованию азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E

Две реакции не равноценны по выделению энернгии.

Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты – только около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, которые обеспечивают плодородие почвы.

Водородные бактерии

В основном распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органики микроорганизмами.

2H2 + O2 → 2H2O + E

Данная реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи строгие анаэробы, обитают в бескислородной среде.

Хемосинтез идет без участия кислорода.

Чаще всего восстанавливают углекислый газ до метана водородом:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + E

Особенности хемосинтезирующих бактерий

Выполнили: Гуляев Иван; Дружинин Михаил Руководитель: Агапова У.В., учитель биологии

Хемосинтез — тип питания многих прокариотов, основанный на усвоение углекислого газа за счет процессов окисления неорганических соединений.

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие , водородные , железобактерии , серобактерии и др.

На земной поверхности молекулярный водород, да еще вместе с кислородом, встречается редко. Именно поэтому распространение хемосинтезирующих бактерий в природе весьма ограничено.

Нитрифицирующие бактерии , встречающиеся в жирной почве, навозе, окисляют аммоний ( комплексный неорганический катион) до нитрита, а нитрит – до нитрата. Они завершают распад органических азотистых веществ, возвращая азот в соединения, усваиваемые растениями. В то же время удаляется аммиак – неизбежный продукт разложения белков .

Тионовые бактерии — серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.).

Это мелкие, палочковидные, в большинстве подвижные грамотрицательные бактерии. Строгие аэробы, за исключением нескольких видов, которые могут развиваться и в анаэробных условиях.

Тионовые бактерии широко распространены в водоёмах, почве, рудных месторождениях. Участвуют в круговороте серы и многих других элементов.

С их жизнедеятельностью связано бактериальное выщелачивание металлов из руд, концентратов и горных пород, аэробная коррозия металлов, разрушение бетонных сооружений и т. д.

Водородные бактерии , бактерии, получающие для роста энергию в результате окисления молекулярного водорода постоянно образующимся при анаэробном разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.

Присутствуют в разных почвах и во многих водоёмах, способны расти за счёт окисления водорода в аэробных условиях, и используют образующуюся при этом энергию для усвоения углерода.

К ним относятся представители более 30 систематических групп.

Хемосинтезирующие бактерии

В последнее время активно используются в биотехнологии для получения кормового белка, ряда полисахаридов и некоторых аминокислот.

Железобактерии — бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трёхвалентного и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов.

Железобактерии находятся повсюду: в подземных и поверхностных водах, в колодцах и родниках. Ржавая масса на дне и берегах ручьев также образована железобактериями.

Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Содержание:

История открытия хемосинтеза

Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия

Значение хемосинтеза в природе

Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО2 благодаря окислению неорганических соединений.

Причем что интересно, по мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного питания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше нежели фотосинтез.

История открытия хемосинтеза

Как биологическое явление хемосинтез бактерий был открыт русским биологом С. Н. Виноградским в 1888 году. Ученый доказал способность некоторых бактерий выделять углеводы используя химическую энергию. Им же был выделен ряд особых хемосинтизирующих бактерий, среди которых наиболее заметными являются серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.

Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия

Давайте теперь разберем в чем сходство хемосинтеза и фотосинтеза, а в чем различия между ними.

• Как хемосинтез, так и фотосинтез являются типами автотрофного питания, когда организм выделяет органические вещества из неорганических.
• Энергия такой реакции запасается в аденозинтрифосфорной кислоте (сокращено АТФ) и впоследствии используется для синтеза органических веществ.

Отличие фотосинтеза от хемосинтеза:

• У них разный источник энергии, и как следствие разные окислительно-восстановительных реакции. При хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ.
• Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и арей.
• При хемосинтезе клетки бактерий не содержат хлорофилла, при фотосинтезе наоборот – содержат.
• Источником углерода для синтеза органики при хемосинтезе может быть не только лишь углекислый газ, но и окись углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Энергия хемосинтеза

Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

Значение хемосинтеза в природе

Хемотрофы – организмы, получающие жизненную энергию благодаря хемосинтезу, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности они поддерживают плодородность почв. Также благодаря деятельности бактерий-хемосинтетиков в природных условиях накапливаются большие запасы руды и селитры.

Реакции хемосинтеза

Теперь давайте более детально разберем существующие реакции хемосинтеза, все они отличаются в зависимости от бактерий-хемосинтетиков.

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3 + 4CO2 + E (энергия)

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота.

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

Хемосинтез, видео

И в завершение образовательное видео о сути хемосинтеза.

Особенности питания бактерий

Для осуществления нормальных процессов жизнедеятельности бактери нуждаются в целом ряде химических веществ: азоте, углеводе, фосфоре, сере, калии и др. элементах.

В зависимости от того, откуда микроорганизмы получают углерод, бактерии делят на:

• аутотрофы, то есть организмы, использующие для образования органических соединений с целью построения тела диокисид углерода и другие неорганические вещества (нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии и др);
• гетеротрофы, организмы, употребляющие готовые органические вещества.

Гетеротрофы, в свою очередь, делят на:

• сапрофиты, организмы, утилизирующие остатки отмерших организмов;
• паразиты, организмы, питающиеся за счет организма хозяина.

В зависимости от вида окисляемого субстрата, являющегося донором водорода или электронов, бактерии делят на группы:

• литотрофные организмы, использующие неорганические соединения в качестве доноров водорода;
• органотрофные организмы, использующие органические соединения в качестве доноров водорода.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В зависимости от источника энергии различают:

• фототрофы, фотосинтезирующие организмы;
• хемотрофы, организмы, использующие химические источники энергии.

Факторы роста

Для роста на питательных средах микроорганизмам необходимы дополнительные компоненты – факторы роста.

Факторы роста – это соединения, которые микроорганизмы сами вырабатывать не могут, но нуждаются в них для роста. Факторы роста добавляют в питательные среды.

К факторам роста относятся следующие соединения:

• аминокислоты участвуют в построении белков;
• пиримидины и пурины образуют нуклеиновые кислоты;
• витамины входят в состав некоторых ферментов и т.д.

По отношению к факторам роста микроорганизмы делят на:

• ауксотрофы. Этим бактериям необходим один фактор роста или несколько.
• прототрофы. Могут самостоятельно синтезировать соединения, необходимые для роста. Способны создавать компоненты из солей аммония и глюкозы.

Механизмы питания

Поступление веществ в бактериальную клетку зависит от ряда факторов:

• $pH$ среды;
• растворимости молекул в воде или липидах;
• концентрации веществ;
• разных факторов, влияющих на проницаемость мембран и т.д.

Главный регулятор поступления разных соединений в клетку – цитоплазматическая мембрана.

Условно выделяют четыре механизма поступления веществ в клетку:

• Простая диффузия. Перемещение веществ осуществляется в результате разницы концентраций по разные стороны ЦПМ. Данный вид транспорта происходит без затраты энергии. Органические молекулы, медицинские препараты проходят через липидный слой цитоплазматической мембраны, реже – по каналам в ЦПМ, заполненным водой.
• Облегченная диффузия. Перемещение веществ осуществляется в результате разницы концентраций по разные стороны ЦПМ. Процесс возможен при наличии специфических молекул-переносчиков, находящихся в ЦПМ. Каждый переносчик может транспортировать через мембрану определенное вещество.
  Например, белками-переносчиками выступают пермеазы, местом синтеза которых является цитоплазматическая мембрана.
• Активный транспорт. Осуществляется при помощи пермеаз, протекает в направлении от веществ с меньшей концентрацией в сторону веществ с большей концентрацией. Процесс происходит с затратой АТФ, которая образуется в ходе окислительно-восстановительных процессов в клетке.
• Перенос групп (транслокация). Процесс сходен с активным транспортом. Отличительной чертой является то, что в ходе переноса молекула видоизменяется, к примеру, фосфорилируется. Из клетки выход веществ происходит в результате диффузии, при участии транспортных систем.

Ферменты бактерий

Ферменты – белковые соединения, участвующие в процессах анаболизма и катаболизма, распознающие необходимые субстраты, вступающие с ними во взаимодействие и ускоряющие химические процессы.

Ферменты, катализирующие метаболизм, происходящий внутри клетки, называют эндоферментами.
В окружающую среду бактериальная клетка выделяет экзоферменты, которые расщепляют макромолекулы питательных сред до простых веществ, способных усваиваться клеткой. Некоторые экзоферменты способны инактивировать антибиотики, то есть выполняют защитную функцию (пенициллиназа).

• Конститутивные ферменты. Синтезируются клеткой постоянно, не завися от присутствия в питательной среде субстратов.
• Индуцибельные ферменты (адаптивные). Способны синтезироваться клеткой только при присутствии в среде субстрата этого фермента.

Ферменты агрессии разрушают клетки и ткани, способствуя широкому распространению бактерий и их токсинов. Например, коллагеназа, гиалуронидаза, дезоксирибонуклеаза, лецитовителлаза, нейраминидаза и др.

Все ферменты бактерий можно разделить на следующие классы:

• окислительно-восстановительные ферменты – оксидоредуктазы (оксидазы, дегидрогеназы);
• трансферазы, осуществляющие перенос радикалов и атомов;
• гидролазы, участвующие в процессах гидролиза (фосфатазы, эстеразы, глюкозидазы);
• лиазы, отщепляющие группы веществ от субстратов негидролитическим путем (карбоксилазы);
• изомеразы, способные превращать органические вещества в изомеры (фосфогексоизомераза);
• синтетазы, или лигазы, катализирующие синтез сложных веществ из простых (глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза).

Хемосинтез как особый вид питания

Хемосинтез – это процесс переработки СО2 на питательные вещества. Это явление 1888 году открыл русский биолог С. Н. Виноградский.

Ученый доказал, что некоторые типы бактерий приспособились к переработке углекислого газа в химическую энергию. Современные биологи продолжают проводить исследования бактерий.

На данный момент известно 3 типа бактерий: серобактерии, нитрифицирующие виды и железобактерии.

Железобактерии научились перерабатывать закисные соли металла в окисные. В процессе химической реакции освобождается энергия, которая усваивается в АТФ бактерии.

Способность бактерий превращать неорганику в органику натолкнула ученых на мысль, что хемосинтетики могут накапливать болотную руду и селитру – ценный ресурс для человечества.

Необходимо также выделить нитрифицирующие бактерии, которые специализируются на окислении аммиака в азотную кислоту. Пока ученые не могут объяснить, как это у бактерий получается.

Противоположным способом питания считается фагоцитоз – захватывание инородных живых бактерий или фрагментов клеток. Способность к фагоцитозу лежит в основе питания всех примитивных организмов. На современном этапе развития живых организмов фагоцитоз не потерял своего значения и перешел на новый уровень – локальный.

Теперь к этому способу питания приспособились клетки нашего организма. Например, эритроциты и макрофаги защищают организм человека от чужеродных организмов за счет фагоцитоза. Незнакомые вирусы или бактерии поглощаются эритроцитами и макрофаги. Поглощенные бактерии перетравливаются в клетках при помощи специальных ферментов.

Таким образом, фагоцитоз выполняет в организме защитную функцию от чужеродных бактерий.

Самый необычный способ питания у сапрофитов – гетеротрофных организмов, способных питаться мертвыми тканями.

Вообще, питание мертвыми тканями может быть опасным для большинства живых организмов, однако, бактерии сапрофиты приспособились перерабатывать неживую материю в энергию.

К сапрофитам относятся некоторые типы насекомых (жуки-навозники и некоторые личинки), птицы (гриф) и некоторые ракообразные (речной рак и донный бокоплав).

Сапрофиты играют крайне важную роль в очищении атмосферы и гидросферы. Например, речные и морские организмы, поедающие мертвые ткани, этим самым уничтожают источник заражения воды.

Грунтовые сапрофиты принимают активное участие в формировании плодородного грунта и разложении останков мертвых животных.

Все виды сапрофитов относятся к редуцентам – организмам, замыкающим круговорот энергии в природе.

Хемосинтез и хемосинтезирующие бактерии. Нитрификация и денитрификация

Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения энергии используется только бактериями или археями. Явление хемосинтеза было открыто в 1887 году русским учёным С. Н. Виноградским.

Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия не может быть непосредственно использована в процессах ассимиляции. Сначала эта энергия переводится в энергию макроэнергетических связей АТФ и только затем тратится на синтез органических соединений.

Хемосинтези́рующие бакте́рии используют энергию химических реакций (окисление неорганических веществ в процессе дыхания), как источник углерода – углекислый газ. Нитрифицирующие бактерии, встречающиеся в жирной почве, навозе, окисляют аммоний до нитрита, а нитрит – до нитрата.

Они завершают распад органических азотистых веществ, возвращая азот в соединения, усваиваемые растениями. В то же время удаляется аммиак – неизбежный продукт разложения белков.

Тионовые бактерии, широко распространённые в почвах, окисляют серу до сульфатов, делая её доступной для растений, которые не могут усваивать элементарную серу. За счёт освобождающейся энергии ассимилируется углерод из угольной кислоты.

Образуемая ими серная кислота подкисляет почву, способствуя переводу некоторых важных для растений элементов в доступную форму. Водородные бактерии, присутствующие в разных почвах и во многих водоёмах, способны расти за счёт окисления водорода в аэробных условиях.

К ним относятся представители более 30 систематических групп. В последнее время активно используются в биотехнологии для получения кормового белка, ряда полисахаридов и некоторых аминокислот. К хемосинтезирующим бактериям относятся также железобактерии.

При соответствующих условиях (наличие кислорода, температура выше 4 и др.) под действием аэробных микроорганизмов (нитрифицирующих бактерий) происходит окисление азота аммонийных солей, в результате чего образуются сначала соли азотистой кислоты, или нитриты, а при дальнейшем окислении — соли азотной кислоты, или нитраты, т. е.

– происходит процесс нитрификации. Этот биохимический процесс был открыт в 70-х годах XIX в. Но только в конце XIX в. русскому микробиологу С. Н. Виноградскому удалось выделить чистую культуру нитрифицирующих бактерий.

Одна группа этих бактерий окисляет аммиак в азотистую кислоту (нитритные бактерии), вторая — азотистую кислоту в азотную (нитратные бактерии).

Нитрификация имеет большое значение в очистке сточных вод, так как этим путем накапливается запас кислорода, который может быть использован для окисления органических безазотистых веществ, когда полностью уже израсходован для этого процесса весь свободный (растворенный) кислород.

Связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов под действием микроорганизмов (денитрифицирующих бактерий) и вторично расходуется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией. Он сопровождается выделением в атмосферу свободного азота в форме газа.

Масса кислорода, заключающегося в нитритах и нитратах, может быть определена следующим образом.

Реакция окисления азота аммонийных солей

Для образования нитритов по уравнению (4.3) на 2 масс. ч. азота требуется 6 масс. ч. кислорода, а для образования нитратов по уравнению (4.4) — еще 2 масс. ч. кислорода, т. е. всего 8 масс. ч. Так как относительная атомная масса азота равна 14, а кислорода—16, то на окисление до нитратов требуется на 2х14 = 28 масс. ч. азота 8х16=128 масс. ч. кислорода, или на 1 мг азота 128 : 28=4,57 мг кислорода.

В процессе денитрификации нитритов освобождается несколько меньшая масса кислорода, так как часть его уходит на образование углекислоты и воды, а именно на 2 масс. ч. азота освобождается 3 масс. ч. кислорода, или на 1 мг азота мг кислорода. При денитрификации нитратов на 2 масс. ч. азота освобождается 5 масс. ч. кислорода, или на 1 мг азота мг кислорода.

Процесс нитрификации является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических загрязнений. Наличие нитратов в очищенных сточных водах служит одним из показателей степени их полной очистки; поэтому необходимо применять такие очистные сооружения, которые обеспечили бы оптимальные условия для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.

Особенности питания микроорганизмов

Обмен веществ у микроорганизмов состоит из двух основ­ных процессов: 1) получения из окружающей среды необходи­мых питательных веществ и синтеза из них составных частей клетки и 2) выделения в окружающую среду продуктов жизне­деятельности.

Первый из этих процессов, собственно, и является питанием.

Обмен веществ у микроорганизмов происходит путем осмоса через всю поверхность клетки.

Осмос означает медленное проникновение (просачивание) жидкости и растворенных в ней веществ через полупроницае­мую перепонку. У микроорганизмов явление осмоса возникает вследствие разницы концентраций веществ внутри микробной клетки и вне ее.

Роль полупроницаемой перепонки при этом выполняет обо­лочка микроба. Сквозь нее внутрь клетки поступают в виде растворов нужные вещества и удаляются также в виде раство­ров продукты жизнедеятельности.

Растворенные в клетке вещества создают внутри нее опре­деленное давление, которое называется осмотическим. Чем больше концентрация растворенных веществ, тем выше осмоти­ческое давление.

При повышении концентрации веществ внутри клетки, в силу осмотических законов, через оболочку усили­вается извне приток воды, которая стремится как бы разбавить концентрированный раствор в клетке до концентрации раствора вне ее и тем самым уравнять осмотическое давление по обе стороны оболочки.

Биохимические процессы, протекающие внутри клетки, по­степенно приводят к накоплению в клетке веществ – продуктов жизнедеятельности. На основе тех же осмотических законов эти вещества по мере накопления начинают двигаться в сторону их меньшей концентрации, т. е. за пределы клетки.

В свою очередь, клетка станет получать нужные ей веще­ства, концентрация которых в клетке ниже, чем в питательном субстрате.

Таким образом, растворитель (вода) движется в сторону более высокой концентрации раствора, а растворенные веще­ства – в сторону их меньшей концентрации.

В живой микробной клетке концентрация веществ всегда не­сколько выше, чем в окружающей среде. Поэтому происходит слабый избыточный приток воды из внешней среды внутрь клетки, вследствие чего ее эластичная оболочка напрягается. Такое состояние клетки называется туpгopом, а давление, растягивающее оболочку, тургорным.

Нормальное состояние микробной клетки всегда характеризуется определенным тургорным давлением.

Если микробная клетка попадает в концентрированный рас­твор, осмотическое давление которого выше, чем в самой клетке, то протоплазма ее начинает терять воду, отдавая ее внешней среде. Врезультате протоплазма сжимается и отстает от оболочки. Такое явление называется плазмолизом клетки.

Наоборот, при чрезмерном притоке воды в микробную клетку протоплазма переполняется водой, разбухает и растягивает клеточную оболочку вплоть до ее разрыва. Это явление, обрат­ное плазмолизу, называется плазмоптисом.

На явлении плазмолиза основано консервирование продук­тов поваренной солью и сахаром. Концентрированные растворы этих веществ обезвоживают протоплазму микробных клеток и вызывают их гибель.

Источниками питания микроорганизмов могут служить са­мые разнообразные вещества. Одни микробы питаются неорга­ническими соединениями, получая нужные углерод и азот из неорганических веществ, и затем строят из них органиче­ские соединения. Такие микроорганизмы называются автотрофными.

Среди автотрофных микробов встречаются такие, которые усваивают углекислый газ, подобно зеленым растениям, с ис­пользованием солнечной энергии (фотосинтез). К ним относятся, например, некоторые пигментные бактерии, зеленые и пурпур­ные серобактерии. В их клетках находятся пигменты, выпол­няющие роль хлорофилла зеленых растений.

Некоторые автотрофные микроорганизмы для синтеза нуж­ных органических соединений вместо солнечной энергии исполь­зуют энергию химических реакций окисления минеральных ве­ществ (хемосинтез). К числу таких микробов принадлежат водородные бактерии, окисляющие водород с образованием воды, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак в азот­ную кислоту, и др.

Многие микробы в качестве источников питания могут ис­пользовать только готовые органические соединения. Эти микро­организмы называются гетеротрофными.

Среди гетеротрофных микроорганизмов есть такие, которые живут за счет органических остатков животного и раститель­ного мира. Их называют сапрофитами. К ним относятся микроорганизмы, разлагающие различные органические веще­ства в почве и воде, и микроорганизмы, вызывающие порчу пищевых продуктов. Сапрофитами являются многие бактерии, плесневые грибки и дрожжи.

Большинство сапрофитов использует в качестве источников азота различные белковые вещества, а в отдельных случаях – неорганические азотистые соединения (соли аммония и азотной кислоты).

Часть гетеротрофных микроорганизмов способна разви­ваться только в живом организме, питаясь его органическими веществами. Такие гетеротрофы называются паразитами.

К их числу относятся микроорганизмы – возбудители различ­ных заболеваний человека, животных и растений.

Паразиты особенно требовательны к источникам азота, они могут суще­ствовать лишь за счет белков того организма, в котором пара­зитируют.

Все микроорганизмы нуждаются в источниках минераль­ных веществ, а также витаминов.

Потребность микроорганизмов в минеральных веществах незначительна; достаточно сказать, что 10 млрд. бактериальных клеток содержат всего 1 мг минеральных веществ. Однако без них рост микроорганизмов невозможен.

Многие микроорганизмы получают минеральные элементы (фосфор, серу, калий, магний, железо) из минеральных солей, другие лучше усваивают эти элементы из органических ве­ществ.

Источником микроэлементов (меди, цинка, никеля, марганца и других) для микробов является обычно тот же субстрат, из которого они получают все другие элементы питания.

Вода и прочие питательные вещества служат источником кислорода и водорода.

Для нормального роста микроорганизмы нуждаются в ви­таминах группы В (B1, В2, В3 и т.д.), С, РР и др. При отсут­ствии какого-либо витамина в питательной среде у микроорга­низмов резко нарушается обмен веществ и рост микробных клеток становится невозможным.

Некоторые же микробы могут нормально развиваться на питательной среде, не содержащей витаминов. Они способны сами вырабатывать витамины и на­капливать их в своем теле, иногда в очень значительных коли­чествах.

Отдельные из таких микробов используются для про­мышленного получения витаминов (В2, В12).

Изучение и практическое использование микроорганизмов связано с необходимостью их выращивания в искусственных условиях. Для этого в лабораториях или предприятиях приго­тавливают так называемые питательные среды.

С помощью таких специально приготовленных питательных сред удается получать чистые культуры микроорганизмов, т. е. микроорганизмы только определенного вида, без примесей дру­гих микроорганизмов.

Чистую культуру получают путем высаживания на пита­тельную среду одной или нескольких клеток данного микроба.

Универсальной питательной среды нет, так как создать уни­версальный питательный субстрат, пригодный для всех микро­организмов, невозможно в силу специфичности требований раз­личных микроорганизмов.

Многие микроорганизмы хорошо развиваются на мясных бульонах, молоке, овощных и фруктовых отварах, вареном кар­тофеле, хлебе и т. д.

Для выращивания микроорганизмов пользуются и искус­ственно составленными питательными средами. Искусственные среды могут быть жидкие и твердые.

К числу жидких питатель­ных сред относится, например, мясопептонный бульон, в состав которого входят мясной бульон, пептон и соль.

Твердые пита­тельные среды получают добавлением в жидкую среду агар-агара или желатина, которые в водных растворах образуют студни.

Хемосинтезирующие бактерии

Выполнили: Гуляев Иван; Дружинин Михаил Руководитель: Агапова У.В., учитель биологии

Хемосинтез – тип питания многих прокариотов, основанный на усвоение углекислого газа за счет процессов окисления неорганических соединений.

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие , водородные , железобактерии , серобактерии и др. На земной поверхности молекулярный водород, да еще вместе с кислородом, встречается редко.

Именно поэтому распространение хемосинтезирующих бактерий в природе весьма ограничено.

Нитрифицирующие бактерии , встречающиеся в жирной почве, навозе, окисляют аммоний ( комплексный неорганический катион) до нитрита, а нитрит – до нитрата. Они завершают распад органических азотистых веществ, возвращая азот в соединения, усваиваемые растениями. В то же время удаляется аммиак – неизбежный продукт разложения белков .

Тионовые бактерии – серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.). Это мелкие, палочковидные, в большинстве подвижные грамотрицательные бактерии.

Строгие аэробы, за исключением нескольких видов, которые могут развиваться и в анаэробных условиях. Тионовые бактерии широко распространены в водоёмах, почве, рудных месторождениях. Участвуют в круговороте серы и многих других элементов.

С их жизнедеятельностью связано бактериальное выщелачивание металлов из руд, концентратов и горных пород, аэробная коррозия металлов, разрушение бетонных сооружений и т. д.

Водородные бактерии , бактерии, получающие для роста энергию в результате окисления молекулярного водорода постоянно образующимся при анаэробном разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.

Присутствуют в разных почвах и во многих водоёмах, способны расти за счёт окисления водорода в аэробных условиях, и используют образующуюся при этом энергию для усвоения углерода. К ним относятся представители более 30 систематических групп.

В последнее время активно используются в биотехнологии для получения кормового белка, ряда полисахаридов и некоторых аминокислот.

Железобактерии – бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трёхвалентного и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов. Железобактерии находятся повсюду: в подземных и поверхностных водах, в колодцах и родниках. Ржавая масса на дне и берегах ручьев также образована железобактериями.

Хемосинтез

Некоторым бактериям свойственен тип питания называемый хемосинтезом. Эти бактерии способны усваивать CO2 как единственный источник углерода за счёт энергии окисления неорганических соединений. Автором открытия хемосинтеза в 1887 г. стал русский ученый-микробиолог С.Н.

Виноградским (1856 — 1953), и это событие оказало большое влияние на представления об основных типах обмена веществ у живых организмов.

Окисляя неорганические вещества, хемосинтетики (хемолитотрофы) получают восстановительные эквиваленты (в виде НАДН), а также энергию, которая запасается в виде АТФ за счет процесса переноса электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных в клеточную мембрану бактерий.

Биосинтез органических соединений при хемосинтезе происходит в результате автотрофной ассимиляции CO2 (цикл Кальвина) в точности, как при фотосинтезе.

Бактерии, которым свойственен хемосинтез, не относятся к единой в таксономическом отношении группе, их систематизируют в зависимости от окисляемого ими неорганического субстрата. Среди них есть микроорганизмы, которые окисляют водород, окись углерода, восстановленные соединения серы, аммиак, нитриты, железо, марганец и др.

Водородные бактерии — бактерии, окисляющие водород, как и следует из их названия. Формула окисления:

2H2 + O2 = 2H2O + Е (энергия)

Эти бактерии относятся к одной из самых многочисленных и разнообразных групп хемосинтезирующих организмов. Водородные бактерии — могут развиваться только в присутствии кислорода, т. е. являются аэробами.

Они окисляют водород, который выделяется при анаэробном разложении различных органических остатков. По сравнению с другими автотрофными микроорганизмами отличаются высокой скоростью роста и могут образовывать большую биомассу.

Эти бактерии являются миксотрофными или факультативно хемоавтотрофными бактериями, т.к. могут расти на средах, которые содержат органические вещества.

Серобактерии, как можно догадаться, микроорганизмы, которые окисляют восстановленные соединения серы (сероводород, молекулярную серу). Изучение именно этой группы бактерий привело С.Н. Виноградского к открытию явления хемосинтеза. Средой обитания серобактерий являются водоемы, в воде которых содержится сероводород.

2H2S + O2 = 2H2O + 2S + Е

В клетках бактерий в виде множества крупинок накапливается свободная сера, которая выделяется в результате реакции. При недостатке сероводорода серобактерии продолжают дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 + Е

Энергия, получаемая при окислении этими бактериями восстановленных соединений серы, используется ими для синтеза органических соединений из углекислоты.

Развитие серобактерий влечет за собой образование серной кислоты и связанное с этим сернокислотное выветривание, что в итоге может привести к разрушению серных месторождений (в открытых разработках). Кроме того, серобактерии могут повреждать инженерные сооружения.

Способность некоторых серобактерий разлагать сульфиды металлов используют в бактериальной гидрометаллургии для бактериального выщелачивания металлов из руд.

Существуют также бактерии, преобразующие аммиак и аммонийные соли в нитраты, — это нитрифицирующие бактерии. Средой их обитания являются почва и водоемы. Жизнедеятельность этих бактерий — один из самых важнейших факторов плодородия почв.

Процесс нитрификации или превращения аммиака в нитраты проходит в две стадии. Сначала нитритные бактерии окисляют аммиак (NH3) до нитрита (NО2-):

2NH3 + 3O 2 = 2НNO2 + 2H2O + Е

На второй стадии другая группа нитрифицирующих микроорганизмов – нитратные бактерии окисляют нитрит (NО2-) до нитрата (NО3-):

2НNO2 + O2 = 2HNO3 + Е

Также, как и другие хемоавтотрофы, нитрифицирующие бактерии за счёт энергии окисления могут усваивать углерод атмосферы (CO2) или карбонатов для его использования при синтезе веществ, входящих в состав клетки.

Таким образом, хемосинтезирующим бактериям принадлежит ведущая роль в биогеохимических циклах различных химических элементов в биосфере.

Перейти к оглавлению.

Способы питания бактерий

Углеродное питание. К числу важнейших химических элементов, необходимых для синтеза органических соединений, относят: углерод (С), азот (N), водород (Н), кислород (О). Свою потребность в водороде и кислороде бактерии удовлетворяют через воду. По способу углеродного питания бактерии делятся на: аутотрофы (автотрофы) и гетеротрофы.

Автотрофы– организмы, которые полностью удовлетворяют свои потребности в углероде за счёт СО2 . Они способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию света и окислительные реакции.

Гетеротрофы– организмы, которые не могут полностью удовлетворить свои потребности в углероде за счёт СО2 , а требуют для своего питания готовых органических соединений. Гетеротрофы подразделяются – на сапрофитов и паразитов.

Сапрофиты – источником питания служат мертвые органические субстраты.

Паразиты – живут за счёт живых тканей животных и растений.

Гетеротрофы усваивают углерод из готовых органических соединений, для чего требуется энергия. Существуют 2 источника энергии- фотосинтез и хемосинтез.

Фотосинтез– это синтез за счёт энергии солнечного света. Хемосинтез– это энергия, которую получают за счёт окисления неорганических соединений.

Азотное питание. По способу азотного питания бактерии подразделяются: на аминоавтотрофов и аминогетеротрофов.

Аминоавтотрофы – способны полностью удовлетворять свои потребности в азоте, необходимом для синтеза белков и нуклеиновых кислот, с помощью атмосферного и минерального азота.

Аминогетеротрофы– для роста и размножения нуждаются в готовых органических азотистых соединениях: некоторых аминокислотах и витаминах.

К числу аминоавтотрофов относятся азотфиксирующие бактерии, свободно живущие в почве –клубеньковые бактерии (они размножаются на корнях бобовых растений).

Симбиоз их с растениями взаимовыгоден, так как вместе они продуцируют ряд физиологически активных соединений, которые благоприятно влияют на бобовые растения. В почве они обитают как сапрофиты.

Вторая группа аминоавтотрофов представлена нитрифицирующими бактериями, которые используют для синтеза белков в качестве источника азота, соли аммиака, азотистой и азотной кислот. Эти 2 группы бактерий играют важную роль в обеспечении плодородия почв.

Аминогетеротрофы для роста и размножения нуждаются в различных органических азотистых соединениях. Многие бактерии синтезирую аминокислоты и основания из минеральных источников азота и нуждаются в витаминах (ростовых факторах): вит. Н, вит.В1 , вит. В2 , вит.В3 , вит.В4, вит. В5,вит.В9 .

Для нормальной жизнедеятельности бактерии обязательно нуждаются в ионах: Na, K, Cl, Ca2+ , Mn2+ , Mg2+ ,Fe2+ , Cu2+ , а также в сере и фосфоре, которые поступают в клетку путём диффузии и активного транспорта. Все процессы обмена веществ представляют собой цепь взаимосвязанных во времени и в пространстве саморегулируемых реакций. Каждая из реакций катализируется(ускоряется) соответствующим ферментом.

Ферменты.

Ферменты(от греч fermentum- закваска), или энзимы – специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Их нет у плазмид и некоторых вирусов. У бактерий обнаружены 6 классов ферментов:

1. оксидоредуктазы(катализируют окислительно-восстановительные реакции);

2. трансферазы(катализируют реакции переноса групп атомов и др веществ);

3. гидролазы (катализируют, расщепление различных соединений – гидролиз белков, жиров, углеводов. Белки – до аминокислот и пептонов, жиры –до жирных кислот и глицерина, углеводы – до ди- и моносахаридов);

4. лигазы (катализируют реакции отщепления от субстрата химической группы или, наоборот, присоединение её);

5. изомеразы (катализируют внутримолекулярные превращения);

6. синтетазы(катализируют соединение двух молекул).

Изучение ферментов у бактерий представляет интерес для микробиологической промышленности (их используют в пивоварении, виноделии, для улучшения пористости хлеба). Изучение обмена веществ патогенных бактерий, необходимо для понимания механизмов, с помощью которых они реализуют свою патогенность т.е. для выяснения патогенеза инфекционных заболеваний.

Дыхание бактерий.

По типу дыхания бактерии делятся на:

1. строгие аэробы – размножаются только в присутствии кислорода (О2 ).

2. микроаэрофилы – нуждаются в уменьшенной концентрации кислорода.

3. факультативные анаэробы – способны потреблять глюкозу и размножаться как в аэробных так и в анаэробных условиях.

4. строгие анаэробы – размножаются только при отсутствии кислорода.

К аэробам относят таких микроорганизмов как возбудитель холеры, туберкулёза и дифтерии, а к анаэробам возбудитель столбняка и газовой гангрены.

Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 3247; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник