Способы получения энергии микроорганизмами аэробное дыхание

Аэробное дыхание микроорганизмов

Понятие дыхания как физиологического процесса, обеспечивающего нормальное течение метаболизма организмов. Виды дыхания микроорганизмов. Химизм аэробного дыхания. Достоинства и недостатки дыхания кислородом. Появление аэробного дыхания в процессе эволюции.

Рубрика	Биология и естествознание
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	11.06.2014
Размер файла	391,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский Государственный Аграрный Университет

Московская Сельскохозяйственная Академия

имени К.А. Тимирязева

На правах рукописи

Тема: Аэробное дыхание микроорганизмов

Бахтина Татьяна Игоревна

Дыхание и питание являются основными процессами обмена веществ живого организма. Для жизнедеятельности микроорганизмов, т. е. для их развития, размножения и роста, а также для синтеза различных органических соединений, входящих в состав клетки, необходимо много энергии. Микроорганизмы удовлетворяют свою потребность в энергии благодаря процессам дыхания.

Дыхание — это физиологический процесс, обеспечивающий нормальное течение метаболизма (обмена веществ и энергии) живых организмов и способствующий поддержанию гомеостаза (постоянства внутренней среды), получая из окружающей среды кислород (О2) и отводя в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма (СО2, H2O и другие).

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.

В зависимости от отношения к молекулярному кислороду все микроорганизмы делятся на четыре группы:

? микроаэрофилы (низкое парциальное давление кислорода в среде)

Облигамтные аэромбы, или аэрофимлы — аэробные организмы, нуждающиеся в кислороде для дыхания. Помимо клеточного дыхания, эти организмы используют кислород для окисления органических соединений, например, сахаров и жиров, с целью получения энергии. В процессе дыхания кислород используется или как конечный акцептор электронов.

Преимуществом такого типа дыхания является получение большего количества энергии, чем у облигатных анаэробов, однако облигатные аэробы подвержены сильным окислительным стрессам.

Среди облигатных аэробов обнаружены существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Среди облигатных анаэробов выделяют микроаэрофилов, которые могут расти, если содержание О2 в окружающей среде будет значительно ниже атмосферного (порядка 2%).

К облигатным аэробам относится большинство прокариотических организмов. Примеры бактерий-облигатных аэробов:

Mycobacterium tuberculosis — кислотоустойчивая

Некоторые аэробные (требующие для роста наличия О₂ в среде) микроорганизмы гибнут на воздухе. Они могут развиваться при концентрации кислорода около 2 % (в 10 раз ниже чем в атмосфере), за что и получили название микроаэрофилов. Обычно такие требования к внешним условиям связны с их метаболической активностью: кислород ингибирует нитрогеназу, гидрогеназу и другие ферменты, из-за чего при его концентрации более 2 % делается невозможной азотфиксация, окисление водорода и некоторые другие процессы. Если в среде есть связанный азот и органические соединения, то и азотфиксаторы и водородокисляющие бактерии хорошо растут и при 21 % содержании кислорода.

Как уже указывалось, многие группы бактерий способны и к аэробному, и к анаэробному дыханию (т. е. являются факультативными анаэробами), но важно отметить, что конечные продукты этих двух реакций различны и количество высвобождающейся энергии в анаэробных условиях значительно меньше. В присутствии кислорода почти вся глюкоза превращалась в бактериальную протоплазму и СО₂, в отсутствие же кислорода разложение было неполным, гораздо меньшая часть глюкозы превращалась в вещество клетки, и в среду выделялся ряд органических соединений, для окисления которых требуются дополнительные «специалисты» — бактерии. В общем полное аэробное дыхание во много раз быстрее, чем неполный процесс анаэробного дыхания, если оценивать выход энергии на единицу используемого субстрата.

Химизм аэробного дыхания

Вид дыхания, называемый аэробное дыхание — это процесс окисления сложных органических соединений до менее сложных или до простых минеральных веществ — Н₂0 и С0₂ (процесс диссимиляции) с одновременным выделением свободной энергии. Выделение углекислоты в результате дыхания связано с поглощением кислорода и полным окислением питательных веществ.

В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление — его присоединение. Эти же термины применяют к реакциям, связанным с переносом электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении — их присоединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов — эквивалентные процессы. Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливаются окислительно-восстановительным потенциалом.

Аэробные микроорганизмы осуществляют окисление белков, жиров, углеводов и других сложных органических соединений, входящих в состав растительных и микробных остатков, до аммиака, воды и углекислого газа. Важная роль в превращении органических веществ принадлежит также грибам и актиномицетам. Минерализации подвергаются не только органические остатки растительного и животного происхождения, но и специфические органические вещества почвы — ее гумус.

Аэробное дыхание — процесс, обратный «нормальному» фотосинтезу. С помощью этого процесса все высшие растения и животные, а также большинство бактерий и простейших получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. В итоге завершенного дыхания образуются СО₂, Н₂О и вещества клетки, однако процесс может идти не до конца и в результате такого незавершенного дыхания образуются органические вещества, еще содержащие некоторое количество энергии, которая может быть в дальнейшем использована другими организмами.

Аэробные бактерии имеют систему цитохромов — пигментированных окислительно-восстановительных ферментов. Благодаря цитохромам аэробные бактерии могут в качестве конечного акцептора водорода использовать кислород воздуха. Цитохромы — это желтые пигменты, имеющиеся у всех аэробных микроорганизмов. Цитохромы подобны гемоглобину крови, содержат железо.

Организмы получают энергию и образуют АТФ при помощи только окислительного фосфорилирования субстрата, где окислителем может выступать только молекулярный кислород. Рост большинства аэробных бактерий прекращается при концентрации кислорода в 40-50 % и выше. В атмосфере чистого кислорода не способны развиваться никакие прокариоты. Облигатные (строгие) аэробы (например некоторые виды псевдомонад) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, поскольку используют его в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием цитохромоксидаз, флавинзависимых оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ. При этом, если акцептором электронов является кислород, выделяется сравнительно большое количество энергии (до 12 молекул АТФ из 1 C₆H₁₂O₆).

У аэробов энергетический обмен происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений. У организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде, — анаэробов, а также у аэробов при недостатке кислорода ассимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный. В двухэтапном варианте энергетического обмена энергии запасается гораздо меньше, чем в трехэтапном.

Рассмотрим подробнее три этапа энергетического обмена. Первый этап называется подготовительным и заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот. Внутри клетки распад органических веществ происходит в лизосомах под действием целого ряда ферментов. В ходе этих реакций энергии выделяется мало, при этом она не запасается в виде АТФ, а рассеивается в виде тепла. Образующиеся в ходе подготовительного этапа соединения (моносахариды, жирные кислоты, аминокислоты и др.) могут использоваться клеткой в реакциях пластического обмена, а также для дальнейшего расщепления с целью получения энергии.

дыхание микроорганизм аэробный кислород

Второй этап энергетического обмена, называемый бескислородным, заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.

Так как наиболее доступным источником энергии в клетке является продукт распада полисахаридов — глюкоза, то второй этап мы рассмотрим на примере именно ее бескислородного расщепления — гликолиза.

Гликолиз — это многоступенчатый процесс бескислородного расщепления молекулы глюкозы, содержащей 6 атомов углерода (С₆Н₁₂О₆), до двух молекул трехуглеродной пировиноградной кислоты, или ПВК (С₃Н₄О₃).

Реакции гликолиза катализируются многими ферментами, и протекают они в цитоплазме клеток. В ходе гликолиза при расщеплении 1 М глюкозы выделяется 200 кДж энергии, но 60% ее рассеивается в виде тепла. Оставшихся 40% энергии оказывается достаточно для синтеза из двух молекул АДФ двух молекул АТФ. Получившаяся пировиноградная кислота в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорганизмов превращается в молочную кислоту (С₃Н₆О₃):

В большинстве растительных клеток, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей) вместо гликолиза происходит спиртовое брожение-, молекула глюкозы в анаэробных условиях превращается в этиловый спирт и СО₂:

Поэтому в аэробных организмах после гликолиза (или спиртового брожения) следует завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. В процессе этого третьего этапа органические вещества, образовавшиеся в ходе второго этапа при бескислородном расщеплении и содержащие большие запасы химической энергии, окисляются до конечных продуктов СО₂ и Н₂О. Этот процесс, так же как и гликолиз, является многостадийным, но происходит не в цитоплазме, а в митохондриях. В результате клеточного дыхания при распаде двух молекул молочной кислоты синтезируются 36 молекул АТФ:

Кроме того, нужно помнить, что две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы.

Таким образом, суммарно энергетический обмен клетки в случае распада глюкозы можно представить следующим образом:

Для энергетического обмена, т. е. для получения энергии в виде АТФ, большинство организмов использует углеводы, но для этих целей может быть использовано окисление и липидов, и белков. Однако мономеры белков, т. е. аминокислоты, слишком нужны клетке для синтеза собственных белковых структур. Поэтому белки обычно представляют собой «неприкосновенный запас» клетки и редко расходуются для получения энергии.

Плюсы и минусы аэробного дыхания

Получение большего количества энергии, чем у облигатных анаэробов.

Окислительный стресс — процесс повреждения клетки в результате окисления.

Высокая устойчивость в окружающей среде

Все формы жизни сохраняют восстанавливающую среду внутри своих клеток. Клеточный «редокс-статус» поддерживается специализированными ферментами в результате постоянного притока энергии. Нарушение этого статуса вызывает повышенный уровень токсичных реактивных форм кислорода, таких как пероксиды и свободные радикалы. В результате действия реактивных форм кислорода такие важные компоненты клетки как липиды и ДНК окисляются.

Доступность молекулярного кислорода в окружающей среде

При отсутствии (избытке, недостатке) кислорода микроорганизм погибает

Появление аэробного дыхания в процессе эволюции

Кислородная среда является достаточно агрессивной по отношению к микроорганизму. Умеренно-строгий анаэробный организм выживает в среде с молекулярным O2, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O₂.

Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии.

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O₂ гибнут — например, представители рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде.

Поэтому, когда среда всей планеты много миллионов лет тому назад стала накапливать в себе большое количество молекулярного кислорода, большинство микроорганизмов погибло. Только малая часть смогла приспособиться и начать использовать кислород для дыхания, что дало им большое преимущество. А анаэробы остались развиваться в почве и бескислородных средах.

Аэробное дыхание не является залогом успеха развития микроорганизма. У него есть свои недостатки: например, окислительный стресс; также для него требуется больше затрачивать энергию.

Но тем не менее именно аэробное дыхание выиграло в процессе эволюции — практически все многоклеточные организмы являются аэробами, следовательно, аэробное дыхание — залог развития и преумножения жизни на Земле.

2. Практикум по микробиологии. Е.З. Теппер; В.К. Шильникова; Г.И. Переверзева

3. Биология, 10 класс

4. «Физиология и генетика микроорганизмов», Варламов С., Благовещенск 2009 г.

5. Экология (справочник) http://ru-ecology.info

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Изучение дыхания растений как окислительного распада органических веществ синтезированных в процессе фотосинтеза. Характеристика процесса аэробного дыхания растений как процесса, в ходе которого расходуется кислород. Специфика и типы анаэробного дыхания.

реферат [371,6 K], добавлен 29.03.2011

Деление организмов на аэробов и анаэробов. Распространенность аэробного дыхания в мире прокариот. Ингибиторы дыхания и состав дыхательной цепи у прокариот. Эволюция путей аэробного метаболизма. Бесхлорофильный фотосинтез без электрон-транспортной цепи.

контрольная работа [730,3 K], добавлен 26.07.2009

Значение дыхания в жизни растений. Субстраты дыхания семян злаковых. Цикл трикарбоновых кислот. Факторы, определяющие интенсивность дыхания семян. Окислительно декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Роль гликолиза как анаэробной фазы дыхания.

курсовая работа [1,1 M], добавлен 29.04.2014

Типы дыхания микроорганизмов. Транспорт электронов при дыхании и различных типах анаэробного способа получения энергии. Наиболее доступные источники углерода для бактерий. Механизм поступления питательных веществ. Использование неорганического азота.

реферат [799,3 K], добавлен 26.12.2013

Дыхание как физиологический процесс, обеспечивающий нормальный метаболизм живых организмов. Особенности дыхания в измененных условиях. Влияние на процесс дыхания жаркого климата. Дыхание в условиях высокогорья и повышенного барометрического давления.

презентация [627,4 K], добавлен 03.12.2015

Исполнительные органы системы дыхания у животных: мышцы инспираторные и экспираторные, грудная клетка, плевра, бронхи и легкие, воздухоносные пути, сердце и сосуды, кровь. Физиологические процессы дыхания. Внешние показатели системы дыхания, ее регуляция.

курсовая работа [856,5 K], добавлен 07.08.2009

Три основных пути диссимиляции углерода. Энергетический выход гликолиза. Последовательность реакций в цикле Кребса. Хемиосмотическая теория окисления и фосфорилирования. Митохондрии как органоиды дыхания. Взаимосвязь дыхания с другими процессами обмена.

реферат [6,8 M], добавлен 07.01.2011

Источник