РОЗДІЛ 1. ТЕХНІЧНА МІКРОБІОЛОГІЯ ТЕМА 2 ФІЗІОЛОГІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ. № 7 ТЕМА ЗАНЯТТЯ: ФІЗІОЛОГІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ. ПЛАН 1. Поняття про фізіологію мікроорганізмів та хімічний склад клітин мікроорганізмів. 2. Поняття про обмін речовин (метаболізм) мікроорганізмів. 2.1 Метаболізм і метаболічні шляхи. 2.2 Процеси конструктивного метаболізму. 3. Ферменти, їх роль у забезпеченні життєдіяльності мікроорганізмів. 3.1 Особливості ферментів мікроорганізмів, їх функції. 3.2 Види ферментів та їх роль. 3.3. Використання ферментів мікроорганізмів людиною. 4. Функціонування клітини як системи. 5. Механізми енергетичного обміну клітини 6. Енергетичний метаболізм хемоорганогетеротрофів, що використовують процеси бродіння. (самостійно) 7. Енергетичний метаболізм хемоорганогетеротрофів, що використовують процес дихання. (самостійно) 1. Поняття про фізіологію мікроорганізмів та хімічний склад клітин мікроорганізмів. Під фізіологією мікроорганізмів розуміють хімічний склад мікробної клітини і різні процеси, пов'язані з її життєдіяльністю. Мікробні клітини майже цілком складаються з води (біля 80 %). Лише 20 % вмісту клітини припадає на сухі речовини. Якщо їх прийня-ти за 100 %, то хімічний склад клітини буде такий: вуглецю - 4650%, кисню – 30%, водню - 6-7%, азоту - 7-14%, мінеральних речовин - 2-14%. До мінеральних речовин належать фосфор, калій, натрій, магній, сірка, кальцій, хлор, залізо, цинк, бор, хром та інші. Усе необхідне клітина одержує разом з білками, жирами, вуглеводами та іншими речовинами. Хімічний склад клітин мікроорганізмів практично не відрізняється від хімічного складу клітин інших живих істот. Основну частину маси мікробної клітини складає вода, доля якої становить 70 – 90 %, суха речовина складає 10 -30 %. Суха частка мікробної клітини на 85 – 97 % представлена органічними сполуками, 3 – 15 % сухої частки припадає на долю мінеральних речовин. Вода. Велике значення в житті мікробів відіграє вода. Всі поживні речовини можуть потрапити в клітину тільки в розчиненому до окремих молекул стані. В клітині відбувається багато різних біохімічних процесів. одні складні сполуки розкладаються, інші утворюються із більш простих сполук; вода ж є тим необхідним середовищем, в якому і можуть здійснюватися всі ці реакції, з водою виводяться також із клітини продукти обміну. 1 Частина води в клітині знаходиться в зв'язаному стані з білками, вуглеводами та іншими речовинами і входить в клітинні структури. Інша вода знаходиться у вільному стані і служить дисперсним середовищем для колоїдів і розчинником різних органічних і мінеральних сполук, які утворюються в клітині при обміні речовин. Вміст вільної води в клітині змінюється залежно від умов зовнішнього середовища, фізіологічного стану клітини, її віку та ін. Так, у спорах бактерій і грибів значно менше води, ніж у вегетативних клітинах. Втрата вільної води призводить до висихання клітини і зміни обміну речовин. Втрата зв'язаної води призводить до порушення клітинних структур і загибелі клітини. Суха біомаса клітини – це в основному полімери. Білки. Вміст білків в клітині становить близько 50 %. У різних мікроорганізмів Вміст білків наступний (%): у бактерій 40...80, у дріжджів 40...60, грибів 15...40. Білки виконують дві основні функції: по-перше, входять до складу всіх клітинних мембран; по-друге, входять до складу ферментів – біохімічних каталізаторів, які обумовлюють, спрямовують і прискорюють майже всі хімічні реакції, що відбуваються в живій клітині. Серед білків є й такі, які вбивають життя, – токсини. Бактеріальні токсини найбільш отруйні. Деякі мікроорганізми синтезують велику кількість білків в клітині – до 80 %. Такі мікроорганізми розглядаються як можливі продуценти кормового і харчового білка. Промислове виробництво таких білків рентабельно, так як мікроорганізми швидко ростуть незалежно від пори року і погоди. В якості сировини для їх росту використовуються відходи харчової та інших галузей промисловості. Продуцентами можуть бути дріжджі, бактерії і водорості, особливо ціанобактерії. Нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК). В клітині утримується від 3 до 4 % ДНК і від 10 до 20 % РНК. В молекулі ДНК закодована спадкова інформація виду. ДНК зосереджена в основному в ядрі еукаріотної клітини і в нуклеоіді прокаріотної клітини. Частина ДНК знаходиться в плазмідах. РНК зосереджена головним чином в рибосомах (до 80%), які синтезують білок, і в цитоплазмі. Ліпіди. В клітині утворюється до 10 % ліпідів. Деякі дріжджі і плісняві гриби синтезують до 40... 60 % ліпідів. Ліпіди входять до складу цитоплазматичної мембрани і до складу всіх інших мембран. Можуть перебувати в цитоплазмі у вигляді гранул. Вуглеводи. До складу мікробної клітини входять як прості, так і складні вуглеводи, їх вміст становить 12 – 28 % сухої речовини. Вуглеводи входять до складу мембран клітин мікроорганізмів, використовуються для синтезу різних сполук та як джерело енергії. Деякі вуглеводи служать будівельним матеріалом – в стінках бактеріальних клітин міститься пептидоглікан мурен, у стінках клітин деяких плісеневих грибів присутні целюлоза та хітин. У багатьох мікроорганізмів полісахариди глікоген та гранульоза містяться в цитоплазмі у вигляді включень, що виконують функцію запасних харчових речовин. Мінеральні речовини (елементи) містяться в невеликих кількостях %: сірка – 1; калій – 1; кальцій – 0,5; магній – 0,5; залізо – 0,2 і ін. 2 Мінеральні з'єднання грають велику роль в регуляції внутрішньоклітинного осмотичного тиску і колоїдного стану цитоплазми. Вони впливають на швидкість і напрямок біохімічних реакцій, є стимуляторами росту, активаторами ферментів. 2. Поняття про обмін речовин (метаболізм) мікроорганізмів. 2.1 Метаболізм і метаболічні шляхи. Найважливішою ознакою живої матерії є постійний обмін речовин між організмом і середовищем. Сукупність процесів, які гармонійно поєднані і перебігають у клітині в певній послідовності, забезпечуючи відтворення її біомаси, називають обміном речовин, або метаболізмом. Обмін речовин і енергії складає єдине ціле і підпорядковується універсальному закону збереженням матерії і енергії. Метаболізм забезпечує гомеостаз організму, забезпечує організм енергією та ряду інших проявів життя. Існують два напрями метаболізму: анаболізм (асиміляція), або конструктивний обмін, який об’єднує процеси синтезу складових частин тіла організму за рахунок надходження поживних речовин із довкілля, і катаболізм (дисиміляція) або енергетичний обмін, що включає процеси розпаду органічних речовин із одночасним вивільненням енергії та акумуляцією її в АТФ та інші високоенергетичні сполуки. У мікроорганізмів розділяють дві форми катаболізму – дихання і бродіння. Як під час росту , так і в стані спокою вегетативна клітина потребує постійного притоку енергії. Жива клітина представляє собою високоорганізовану матерію. Енергія необхідна не тільки для створення такої організації , але й для її підтримання. Цю енергію організм отримує в процесі обміну речовин (метаболізму), тобто шляхом регульованих перетворень, яким різні речовини піддаються всередині клітини. Джерелами енергії слугують поживні речовини, що надходять із зовнішнього середовища. В клітинах ці речовини піддаються ряду змін в результаті послідовних ферментативних реакцій, що утворюють етапи певних метаболічних шляхів. Такі шляхи виконують дві головні функції: вони, по-перше, постачають матеріали-попередники для побудови клітинних компонентів і, по-друге, забезпечують енергію для клітинних синтезів та інших процесів, що потребують затрат енергії. Перетворення сполук в клітині (обмін речовин або метаболізм), в результаті яких із порівняно простих попередників, наприклад глюкози, жирних кислот з довгим ланцюгом або ароматичних сполук, утворюється нова клітинна речовина, можна підрозділити на три основні групи. Спочатку поживні речовини розщепляються на невеликі фрагменти (розпад, або катаболізм), а потім в ході реакцій проміжного обміну, або амфіболізму, вони перетворюються в ряд органічних кислот і фосфорних ефірів. Ці два шляхи переходять непомітно один в одний. Багаточисельні низькомолекулярні сполуки – це той субстрат, з якого синтезуються основні будівельні блоки клітини. «Будівельними блоками» називаються амінокислоти, пуринові та піримідинові основи, фосфорильовані цукри, органічні кислоти та інші метаболіти – кінцеві продукти ланцюгів біосинтезу, іноді довгих. 3 З них будуються полімерні макромолекули (нуклеїнові кислоти, білки, резервні речовини, компоненти клітинної стінки і т.д.), з яких складається клітина. Ці два етапи біосинтезу клітинних сполук – синтез будівельних блоків і синтез полімерів – складають синтетичну гілку метаболізму, або анаболізм (рис. 7.1). Основними процесами метаболізму живої матерії є живлення і дихання. Рис.7.1 – Схема обміну речовин у аеробних клітин, що розщеплюють гексози 2.2 Процеси конструктивного метаболізму. Поживні потреби мікроорганізмів. Для мікроорганізмів, як і для всіх інших живих істот, живлення є необхідним. Поживні речовини надходять із зовнішнього середовища в живий організм і використовується ним або як будівельний матеріал, або як джерело енергії для процесів життєдіяльності. Вивчення хімічного складу мікробів показало, що для біосинтезу основних макромолекул їхнього тіла, з яких формується оболонка, мембрана, цитоплазма, нуклеоїд та інші компоненти, вони повинні одержувати для живлення вуглець, азот, фосфор, сірку, кисень, залізо, калій, магній, кальцій, хлориди, мікроелементи тощо. Крім поживних елементів, що використовуються на побудову структурних компонентів клітини, мікроби також потребують постійного джерела енергії, яка використовується для біосинтезу різних сполук та інших життєвих процесів у клітині. Одним із найважливіших поживних елементів є вуглець. Потреби різних мікроорганізмів у джерелах цього елемента різноманітні. Фото- синтезуючі організми, що використовують сонячну енергію, а також бактерії, які одержують енергію під 4 час окислення неорганічних речовин. використовують як головне джерело вуглецю найбільш окислену його форму – СО2. Мікроорганізми, які здатні використовувати для біосинтезу речовини клітини неорганічне джерело вуглецю (СО2 ), називаються автотрофами. Мікроорганізми, які не здатні використовувати СО2 в якості єдиного джерела вуглецю, а потребують органічних сполук, називаються гетеротрофами. До гетеротрофів відносяться більшість мікроорганізмів. Поняття автотрофія і гетеротрофія характеризує тип конструктивного обміну. Кисень входить до складу води і разом з нею надходить в клітину. Кисень міститься в СО2 і багатьох органічних сполуках. Деяким мікроорганізмам необхідний молекулярний кисень (О2). Головна функція кисню полягає в тому, що він є кінцевим акцептором електронів при аеробному диханні; О2 при цьому відновлюється до води. По відношенню до молекулярного кисню мікроорганізми підрозділяються на такі групи: облігатні аероби, здатні отримувати енергію тільки шляхом дихання і тому потребують О2; облігатні анаероби, які можуть рости лише в середовищі, позбавленого кисню: О2 для них токсичний; факультативні анаероби, що ростуть, як у присутності, так і відсутністі О2. Джерелом азоту для різних видів мікроорганізмів можуть бути найрізноманітніші азотисті сполуки, а для деяких – навіть молекулярний азот атмосфери. Найдоступнішим джерелом азоту для багатьох мікробів є іони амонію (NH4+) і аміак (NH3), які досить швидко приникають у мікробну клітину і трансформуються в іміно- та аміногрупи. Більшість мікробів асимілюють мінеральні форми азоту. Поряд з мінеральними джерелами азоту багато видів мікроорганізмів використовують азот органічних речовин, які водночас слугують для них також джерелом вуглецю та енергії. Використання органічних джерел азоту пов’язується, як правило, з відщепленням від них NH3 і поглинанням його мікробною клітиною. Деякі мікроорганізми можуть засвоювати також амінокислоти. Білками можуть живитися ті мікроби, що виділяють у зовнішнє середовище екзоферменти. Сірка є необхідним поживним елементом для мікроорганізмів. Вона міститься в клітинах в основному у відновленій формі, зокрема у вигляді сульфідної групи. Більшість мікробів може використовувати для живлення сульфати. Проте є бактерії, які потребують для свого живлення відновлених сполук сірки. Для них джерелом сірки можуть бути неорганічні сульфіди, тіосульфати і органічні сполуки, що містять сірку. Фосфор входить до складу дуже важливих органічних сполук мікробної клітини: нуклеїнових кислот, фосфоліпідів, коферментів, АТФ тощо. Без фосфору мікроорганізми не можуть рости і розвиватися. На відміну від азоту і сірки фосфор входить до органічної речовини тільки в окисленому стані (H3PO4). Фосфор надходить у мікробну клітину у вигляді молекул фосфорної кислоти і в незмінній формі бере участь у різних біологічних процесах. Найкращим джерелом фосфору для більшості мікроорганізмів є різні солі ортофосфатної кислоти. Калій активує ферментні системи, відіграє істотну роль у вуглеводневому обміні та синтезі клітинних речовин. Джерелом калію для мікроорганізмів є його солі. 5 Магній входить до складу хлорофілу у зелених і пурпурних сіркобактерій, ціанобактерій, а також є активатором низки ферментів. У клітині перебуває переважно в іонному стані. Для нормального росту й розвитку деяких бактерій необхідний також кальцій. Джерелом цих поживних елементів для мікробів є їхні водорозчинні солі. Залізо також належить до незамінних поживних елементів. Мікроорганізми використовують його в дуже малих кількостях. Однак нормальний розвиток їх без цього елемента неможливий, оскільки залізо входить до гемінового угруповання, яке є коферментом для низки важливих дихальних ферментів (цитохроми, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза тощо). Джерелом заліза для мікробів можуть бути сульфати та інші його солі. Крім названих поживних елементів, мікроорганізмам також потрібні для живлення і мікроелементи (бор, цинк, мідь, марганець, молібден та ін.). Вони засвоюються мікробами в дуже малій кількості, але, незважаючи на це, нормальний розвиток мікробів без них є неможливим, оскільки вони входять до складу багатьох ферментів, а також є їхніми активаторами. Поряд з макро- і мікроелементами мікроорганізми потребують для своєї життєдіяльності в невеликих кількостях і спеціальних речовин або, як їх ще називають, факторів росту – вітамінів і вітаміноподібних речовин, пуринів і піримідинів, амінокислот тощо. Багато бактерій – мікроаерофіли, тобто вони хоча і потребують кисень для отримання енергії, проте не переносять парціального тиску О2, яке існує в повітрі. Істотне значення для росту мікроорганізмів має оптимальна величина рН середовища. Більшість мікроорганізмів (нейрофіли) ростуть при нейтральному рН – 7. Нітрифікуючи і клубенькові бактерії – актиноміцети – віддають перевагу більш високому значенню рН, тобто алкалофіли. Лише деякі бактерії ростуть в кислому середовищі ацидофіли. Гриби потребують низькі значення рН. Температура впливає на ріст мікроорганізмів по-різному. Більшість ґрунтових і водних бактерій мезофіли: температурний оптимум для їх росту лежить в межах 20...37 °С. Термофільні бактерії найшвидше ростуть при температурах вище 40°С, а верхня межа для них 70 °С. Вкрай термофільними мікроорганізмами називають ті, які мають температурний оптимум вище 65 °С, деякі ростуть при температурі понад 70, інші – вище 80, навіть при 105°С. Максимальна швидкість росту психрофільних (або кріофільних) мікроорганізмів досягається при температурі нижче 15 °С. Багато мікроорганізмів потребують додаткових речовин, що називають факторами росту: амінокислоти, пурини i піримідини, вітаміни, які входять до основного складу клітини, але не можуть утворюватись самою клітиною. Наприклад, амінокислоти, пурини і піримідини є складовими частинами білків і нуклеїнових кислот, а вітаміни – простетичних груп. 6 3. Ферменти, їх роль у забезпеченні життєдіяльності мікроорганізмів. 3.1. Особливості ферментів мікроорганізмів, їх функції. Ферменти - специфічні білки, які присутні у живих клітинах і виконують функції біологічних каталізаторів. Завдяки їм реалізується генетична інформація і здійснюються процеси обміну речовин та енергії у живих організмах. Ферменти мають білкову природу і можуть бути простими або складними. Останні містять небілкову частину - кофермент. Структура, властивості, синтез, функції та класифікація ферментів мікроорганізмів такі ж, як у більш складних організмів. Однієї із особливостей ферментів мікроорганізмів є перевага адаптивних (індуцибельних) ферментів над конститутивними, що зв'язано з малим вмістом протоплазми, роллю головного механізму адаптації до мінливих умов зовнішнього середовища. До особливостей ферментів мікроорганізмів у гетеротрофних мікроорганізмів може бути також віднесене виділення їх у великих кількостях у зовнішнє середовище. Ця група так званих екзоферментів здатна викликати трансформацію (деградування) будь-яких органічних і неорганічних речовин, та включати їх складові у новий цикл круговороту речовин та енергії. Екзоферменти здійснюють контактне і позаклітинне переварювання речовин, беруть участь у процесі самоочищення води та ґрунту від органічних залишків і ін. Визначення ферментів мікроорганізмів використовують у бактеріологічній практиці для ідентифікації. Очищені або у складі бактеріальної клітини ферменти застосовують для одержання великої кількості необхідних для промисловості та медицини препаратів і матеріалів, включаючи мікробний білок, антибіотики, вітаміни й ін. Саме завдяки ферментам здійснюється усі життєво необхідні реакції мікроорганізмів 3.2 Види ферментів та їх роль. Відповідно до типу реакцій, які каталізують ферменти їх розділяють на шість класів: Оксидоредуктази - каталізують реакції окислення-відновлення. Трансферази - каталізують реакції переносу різних груп від донора до акцептора. Гідролази - каталізують розриви зв'язків у субстратах із приєднанням води. Ліази - каталізують реакції розриву зв'язків у субстраті без приєднання води чи окислення. Ізомерази - каталізують перетворення в межах однієї молекули (внутрішньомолекулярні перебудови). Лігази (синтетази) - каталізують приєднання двох молекул із використанням енергії фосфатних зв'язків. Незважаючи на малі розміри мікробної клітини, розподіл у ній ферментів суворо впорядкований. Ферменти енергетичного обміну і транспорту поживних речовин локалізовані у цитоплазматичній мембрані та її похідних. Ферменти білкового синтезу зв'язані із рибосомами. Багато ферментів знаходяться у цитоплазмі у розчиненому вигляді. Ферменти бактерій підрозділяються на екзо- і ендоферменти. Ендоферменти функціонують тільки всередині клітини. Вони каталізують реакції біосинтезу й енергетичного обміну. 7 Екзоферменти виділяються клітиною у середовище та каталізують реакції гідролізу складних органічних сполук до більш простих, доступні для асиміляції мікробною клітиною. До них відносять гідролітичні ферменти, які відіграють винятково важливу роль у харчуванні мікроорганізмів. Залежно від умов утворення ферментів їх розділяють на конститутивні та індуцибельні. Конститутивними називають ферменти, синтезовані клітиною незалежно від субстрату, на якому розвиваються бактерії. Наприклад, ферменти гліколізу. Індуцибельні ферменти синтезуються тільки у відповідь на присутність у середовищі необхідного для клітини субстрату-індуктора. Він взаємодіє із репресором, інактивує його, у результаті чого включається генетичний апарат клітини і починається синтез відповідного ферменту. Індукований синтез ферментів відбувається доти, доки в середовищі присутній індуктор. При цьому ферменти синтезуються заново у всіх клітинах одночасно. Індукторами біосинтезу є багато поживних речовин. До індуцибельних відносять більшість гідролітичних ферментів. Відомі також ферменти, які одержали назву аллостеричних. Крім активного центру у них є регуляторний чи аллостеричний центр, який у молекулі ферменту просторово розділений із активним центром. Аллостеричним (від греч. allos - інший, чужий) він називається тому, що молекули, які зв'язані із цим центром, за будовою (стерично) не схожі на субстрат, але впливають на зв'язування та перетворення субстрату в активному центрі, змінюючи його конфігурацію. Речовини, що зв'язуються із аллостеричним центром, називають аллостеричними ефекторами. Вони впливають через аллостеричний центр на функцію активного центру. Аллостеричні ефектори можуть бути позитивними (активатори) чи негативними (інгібітори). Деякі ферменти, так звані ферменти агресії, руйнують тканини і клітини макроорганізму, обумовлюючи тим самим, поширення патогенних мікроорганізмів і їх токсинів у інфікованих тканинах. До таких ферментів відносять плазмокоагулазу, нейрамінідазу, колагеназу, лецитиназу, гіалуронідазу та деякі інші ферменти. Гіалуронідаза стрептококів, наприклад, розщеплює гіалуронову кислоту в мембранах клітин сполучних тканин макроорганізму, що сприяє поширенню збудників та їх токсинів в організмі, обумовлюючи високу інвазивність цих бактерій. Плазмокоагулаза є головним чинником патогенності стафілококів, тому що бере участь у перетворенні протромбіну в тромбін, що викликає утворення фібриногену. У результаті кожна бактерія покривається плівкою, що охороняє її від фагоцитозу. 3.3. Використання ферментів мікроорганізмів людиною. Ферменти мікроорганізмів такі, як лігази і рестриктази, знайшли широке застосування в біотехнології, у тому числі в генній інженерії, для одержання різних біологічно активних речовин, продуковані моноклональних антитіл, а також ряду продуктів у легкій та харчовій промисловості. Ферменти мікроорганізмів характеризують їх біологічні властивості і тому їх досліджують з метою ідентифікації бактерій. Залежно від субстрату гідролітичні ферменти прийнято поділяти на дві великі групи: - гідролітичні або цукролітичні ферменти, субстратом для яких є різні цукри, а продуктами їх розщеплення - кислоти, спирти, альдегіди, Н2О ; 8 - протеолітичні ферменти, що розщеплюють білки із утворенням поліпептидів, амінокислот, аміаку, індолу, сірководню. Для вивчення активності ферментів у процесі ідентифікації мікроорганізмів широко використовують диференційно-діагностичні середовища, до складу яких входять певні субстрати – цукри чи білки. При дослідженні гідролітичної активності бактерій найбільш поширені моносубстратні диференційно-діагностичні середовища Гісса, лактозовмісні середовища Ендо, Левіна, Плоскірєва, дисубстратні середовища Ресселя, полісубстратні середовища Кліглера й Олькеницького. Останні можуть служити і для вивчення протеолітичних властивостей бактерій, тому що процес росту мікроорганізмів супроводжується вивільненням аміаку. Протеолітичні ферменти бактерій визначають також за виділенням індолу, сірководню, розщепленню деяких амінокислот, наприклад, фенілаланіна, лізина, цистина. Протеолітичні ферменти здатні змінювати (розріджувати) желатин, причому, різні види бактерій по - різному змінюють «стовпчик» желатину в пробірці з посівом мікроорганізму. Так, у процесі росту холерного вібріона «стовпчик» желатину приймає форму цвяха, у процесі росту стафілокока - панчохи, синегнійної палички спостерігається пошарове розрідження середовища. Окислювально-відновні ферменти, дегідрогенази, каталазу визначають за зміною органічного барвника - акцептора водню. Здатність мікроорганізмів використовувати як джерело вуглецю цитрат оцінюють у спеціальних тестах заснованих на роботі ферментів. У практичних бактеріологічних лабораторіях широко застосовують мікро- та експрес-методи для орієнтовного вивчення біохімічних властивостей мікроорганізмів. Для цієї мети існує безліч тест-систем. Найчастіше використовують систему індикаторних паперів (СІП). СІПи представляють диски фільтрувального папера, промочені розчинами чи цукрами інших субстратів у сполученні з індикаторами. Такі диски опускають у пробірку з вирощеною культурою. За зміною кольору диска судять про роботу ферменту. Мікротест системи для вивчення ідентифікації ентеробактерій представлені одноразовими пластиковими контейнерами із середовищами, що містять різні субстрати та з додаванням індикаторів. Посів чистої культури мікроорганізмів у такі тест-системи дозволяє швидко виявити здатність бактерій утилізувати цитрати, глюкозу, сахарозу, виділяти аміак, індол, розкладати сечовину, лізин, фенілаланін і т.д. 4 Функціонування клітини як системи Клітина може бути розглянута як система, що складається з чотирьох підсистем: геном клітини з хромосомою, апаратом реплікації (репликсомою) і РНК-полімеразою; рибосома – апарат синтезу білка; цитоплазма (цитозоль), яка включає в себе мережу метаболічних шляхів з обслуговуючими їхніми ферментами; мембрана з енергетичним апаратом синтезу АТФ і транспортними системами, які здійснюють взаємодію клітини з навколишнім його середовищем. 9 Геном клітини. Геном клітини являє собою постійну для виду компоненту і може бути оцінений аналізом ДНК. Встановлена послідовність основ ДНК, відповідних багатьом окремим генам. Хромосома містить: генетичну інформацію виду; генетичну інформацію для власної реплікації за рахунок попередників (азотистих основ), що надходять з цитоплазми, і енергії, що надходить від енергосинтезуючого мембранного апарату; інформацію для синтезу білка РНК-полімеразним блоком. Рибосома. Рибосома являє собою РНК-вмісний аппарат синтезу білка з амінокислот-попередників, що поступають з цитоплазми та витрачають енергію енергосинтезуючого мембранного апарату. Рибосома діє згідно з командами, отриманими через РНК-полімеразу від хромосоми. Рибосома оцінюється за сумарним вмістом РНК в клітині. Цитоплазма клітини. Цитоплазма являє собою насамперед "котел" метаболічних перетворень речовин з утворенням енергетичних субстратів для синтезу АТФ (енергетичний обмін, або катаболізм) і з'єднань – попередників для синтезу компонентів клітини (конструктивний обмін, або анаболізм). Катаболізм і анаболізм в тій чи іншій мірі пов'язані метаболізмом, який є найважливішою характеристикою функціональної різноманітності мікроорганізмів. 5. Механізми енергетичного обміну клітини Енергетичний обмін клітини спрямований на підтримку і синтез речовин, з яких складається клітина, і видалення з клітини продуктів обміну. При вивченні механізмів енергетичного обміну необхідно мати уявлення про джерела енергії, механізм надходження поживних речовин в клітину, а також про ферменти, за допомогою яких відбуваються реакції обміну. Джерела енергії. Джерелами енергії для організмів можуть служити енергія світла і енергія окислювально-відновлювальних реакцій (хімічна енергія). При цьому якщо енергію світла можуть використовувати тільки фото синтезуючі мікроорганізми, то здатність використовувати хімічну енергію властива всім без винятку організмам,особливо різноманітні можливості прокаріот. Окислювально-відновлювані реакції представляють собою перенесення електронів від окислюваної речовини (донора електронів) до окислювача (акцептор). Перенесення електронів від донора до акцепторів здійснюється через ряд послідовно функціонуючих переносників. Частина переносників закріплена в мембрані, а частина знаходиться в цитоплазмі і з’єднує ці два комплекси клітини. Перший механізм синтезу АТС – субстратне фосфорилювання. Цей спосіб реалізується у гліколізі, різноманітних бродіннях та інших процесах. Субстратне фосфорилювання здійснюється в цитоплазмі і може бути відтворене в безклітинних екстрактах. Другий механізм синтезу АТФ – мембранне фосфорилювання. Цей механізм реалізується в процесах дихального фосфорилювання і фотосинтезу (фотофосфорилювання). Надходження поживних речовин в клітину. Надходження поживних речовин (молекул) в клітину з середовища і виділення продуктів обміну визначає взаємодію клітини із середовищем. За надходження поживних речовин в клітину 10 відповідає мембрана, яка селективно (вибірково) пропускає не всі речовини, а тільки ті, які необхідні на даний момент. ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН Без участі переносників З участю переносників Пасивний транспорт Проста дифузія В Полегшена дифузія Р S1 S2 Активний транспорт Р АТФ S3 Б А А Рис. 7.2 – Транспорт речовин через цитоплазматичну мембрану А –цитоплазма, Б – мембрана, В – оточуюче середовище; S1, S2, S3 –субстрат, Р - переносник Деякі молекули поступають в клітину шляхом пасивної дифузії до вирівнювання концентрацій. Пасивно проходять через мембрану кисень, вода, а також жири і жирні кислоти. Вода забезпечує осмотичний стан клітини. Пасивна дифузія важлива і для видалення з клітини продуктів обміну. Швидкість дифузії може бути збільшена за рахунок механізму полегшеної дифузії, в якому беруть участь пермеази – білки-переносники мембрани. Вони зв'язуються з транспортуючою речовиною, зазнають конформаційних змін, в результаті чого речовина переноситься через мембрану в область її більш низької концентрації. Полегшена дифузія прискорює процес вирівнювання концентрацій, але не може призвести до концентрування речовини всередині клітини. Це може зробити тільки активний транспорт речовин через мембрану, здійснюваний трансмембранними білками. Трансмембранні білки являють собою найважливіше пристосування клітини для взаємодії з навколишнім середовищем. Вони здійснюють не тільки перенос 11 молекул через мембрану, але і активний транспорт, який дозволяє вибірково концентрувати всередині клітини необхідні їй речовини проти градієнта, здійснюючи специфічну хімічну реакцію. Активний транспорт здійснюється з витратою енергії або АТФ. Особливо треба відзначити, що клітини володіють різними системами транспорту речовини, які включаються залежно від високої або низької концентрації субстрату. Контрольні запитання 1. Назвіть які органічні і мінеральні сполуки водять до складу мікробної клітини? 2. Поясніть в чому полягає механізм енергетичного обміну клітини? 3. Опишіть шляхи надходження поживних речовин у клітину? 4. Поясніть як поділяють мікроорганізми відносно джерел вуглецю, азоту, кисню, факторів росту, джерел енергії? 5. Дайте визначення терміну «метаболізм»? На які етапи можна поділити перетворення речовин у клітині? 6. Дайте визначення поняттю «енергетичний метаболізм». У яких процесах бере участь АТФ? Яке відношення до енергетичного метаболізму мають відновлювальні еквіваленти? 7. Поясніть які особливості притаманні ферментам мікроорганізмів? 8. Назвіть ферменти які функціонують у мікроорганізмів? Наведіть приклади реакцій. 9. Охарактеризуйте шляхи катаболізму глюкози. Які з них функціонують тільки у мікроорганізмів? Рекомендована література: Основна 1. Пирог Т.П. Загальна мікробіологія: Підруч.– 2-е вид., доп. і перероб. Київ: НУХТ, 2010. 632 с. с. 335-373 2. Вербина Н.М., Каптерева Ю.В. Микробиология пищевых производств. Москва: Агропромиздат, 1988. 256 с., ст.35-50 Додаткова 1. Грегірчак Н.М. Технічна мікробіологія [Електронний ресурс]: конспект лекцій для студентів напряму підготовки 6.051701 «Харчові технології та інженерія» денної та заочної форм навчання / Н.М.Грегірчак – Київ: НУХТ, 2014. 131с. , с. 34-39 12 САМОСТІЙНА РОБОТА СТУДЕНТА № 4 ТЕМА: ЕНЕРГЕТИЧНИЙ МЕТАБОЛІЗМ ХЕМООРГАНОГЕТЕРОТРОФІВ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬ ПРОЦЕСИ БРОДІННЯ ТА ДИХАННЯ. до теми заняття «Фізіологія мікроорганізмів.» ПЛАН 1. Енергетичний метаболізм хемоорганогетеротрофів, що використовують процеси бродіння. 2. Енергетичний метаболізм хемоорганогетеротрофів, що використовують процес дихання 1. Енергетичний метаболізм хемоорганогетеротрофов, що використовують процеси бродіння Бродіння - окислювально-відновний процес, що проходить в анаеробних умовах і призводить до утворення АТФ, в якому роль донора і акцептора атомів водню (або відповідних електронів) грають органічні сполуки. Утворення молекул АТФ при бродінні відбувається шляхом субстратного фосфорилювання. Найчастіше в процесах бродіння мікроорганізми використовують вуглеводи. Існує кілька типів бродіння, назви яких даються по кінцевому продукту: спиртове, пропіоновокисле, молочнокисле, ацетонобутилове, маслянокисле і т.д. Перший етап окислення вуглеводів в процесі бродіння (рис. 7.1) включає гідроліз вуглеводів до простих цукрів і ізомеризацію їх до глюкози. ВУГЛЕВОДИ 2 АТФ 4 АТФ Молочна кислота глюкоза Фруктозо-1,6-діфосфат 2 ФГА (фосфогліцериновий альдегід) 2 ПВК (піровиноградна кислота) Етиловий спирт Масляна кислота 2 НАДН2 Пропіонова кислота Рис. 7.1 Схема окиснення вуглеводів в процесі бродіння 13 На другому етапі глюкоза через ряд послідовних реакцій окислюється в пировиноградну кислоту. Цей процес називається гліколізом. Основними стадіями гліколізу є приєднання фосфатних груп від молекули АТФ і перетворення у фруктозо-1,6-дифосфат. Далі фруктозо-1,6-дифосфат перетворюється в фосфогліцериновий альдегід, який через ряд послідовних реакцій перетворюється в пировиноградну кислоту. При цьому утворюється вільна енергія, достатня для утворення 4 молекул АТФ. Але так як 2 АТФ витрачаються на активацію глюкози, то енергетична цінність будь-якого бродіння – утворення з однієї молекули глюкози двох молекул АТФ (енергетична цінність бродіння). Слід зазначити також, що при гліколізі відновлюється дегидрогеназа (2 НАДН2 ). Третій етап. Піровиноградна кислота при серії послідовних реакцій зазнає перетворення, характер яких залежить від ферментативних особливостей того чи іншого збудника. Так, в клітинах дріжджів є специфічні ферменти - піруватдекарбоксилази і алкогольдегідрогеназа, які здійснюють перетворення ПВК в етиловий спирт. 2. Енергетичний метаболізм хемоорганогетеротрофов, що використовують процес дихання Аеробне дихання - окислювально-відновний процес, що йде з утворенням АТФ, при якому роль донорів водню (електронів) грають органічні сполуки, а роль акцептора виконує молекулярний кисень. Процес протікає в аеробних умовах, а кінцевими продуктами дихання є СО2 і Н2О. Сумарно процес дихання при окисленні вуглеводів виражається рівнянням: С6Н12О6 + 6 О2 6 СО2 + 6 Н2О + 2820 кДж глюкоза Схема окислення вуглеводів в процесі дихання представлена на рис. 7.2. Початкова стадія перетворення вуглеводів, аж до утворення піровиноградної кислоти, повністю ідентична ферментативній реакції окиснення в процесі бродіння. У клітинах аеробів ПВК може бути окислена повністю в циклі Кребса через проміжне з'єднання - ацетил КоА (рис. 7.2). При цьому водень, відібраний дегідрогеназ в циклі передається в дихальний ланцюг ферментів, яка у аеробів, крім НАД, включає ФАД, систему цитохромів і кінцевий акцептор водню - кисень. При цьому на кожні 2 атома водню, що надходять в дихальний ланцюг, синтезуються 3 молекули АТФ. Таким чином, сумарний енергетичний ефект процесу окислення однієї молекули глюкози теоретично становить 38 молекули АТФ, причому 2 молекули АТФ утворюються в результаті субстратного фосфорилювання, а 36 АТФ - при окисного фосфорилювання. Слід враховувати, що частина енергії, яка утворюється при окисного фосфорилювання, втрачається і кількість утвореною енергії менше теоретично можливого виходу. Окислення поживних речовин не завжди йде до кінця. Деякі аероби окислюють органічні сполуки частково, при цьому в середовищі накопичуються проміжні продукти окислення. Такі окислювально-відновні процеси, що протікають в аеробних умовах, називаються неповними окисленням або окислювальним бродінням. Прикладами неповних окислення є окислення вуглеводів до органічних кислот (щавлевої, глюконової, оцтової, лимонної) аеробними мікроорганізмами - мікроскопічними грибами і оцтовокислих бактеріями. 14 Так, окислення глюкози в лимонну кислоту можна представити таким сумарним рівнянням: 2С6Н12О6 + 3О2 2С6Н8О7 + 4Н2О + Е глюкоза лимонная кислота Продуцентом лимонної кислоти є гриб Aspergillus niger . Вуглеводи Глікозидази 2 НАДН2 2 НАДН2 Глюкоза 2 ПВК 2 СН3СО- SКоА 2 АТФ Щавелевооцтова кислота Лимона кислота Яблучна кислота Ізолимона кислота СО2 Фумарова кислота 2 АТФ Янтарна кислота СО2 2(2Н+) 2 (2Н+) 2 (2Н+) -кетоглутарова кислота 2 (2Н+) НАД 6 АТФ ФАД 2 АТФ 2 АТФ Ц і т о х р о м и (2Н + 1/2О2) + 12 АТФ 12 АТФ Н2О Рис. 7.2 Схема окисления углеводов в процессе дыхания 15 Контрольні запитання Опишіть як було відкрито мікроорганізми? Поясніть що таке «анаболізм»? Поясніть у чому сутність енергетичного обміну? Поясніть у чому полягає взаємозв'язок конструктивного і енергетичного обміну? 5. Поясніть що розуміється під «біологічним окисленням»? 6. Дайте визначення терміну «бродіння»? 7. Вкажіть як називається процес аеробного окислення глюкози до вуглекислого газу і води? 8. Дайте визначення терміна «неповні окислення» або «окисне бродіння»? Наведіть приклади. 9. Поясніть що таке гліколіз? 10.Які мікроорганізми можуть отримувати енергію шляхом окисного фосфорилювання? 11. Поясніть який енергетичний ефект процесу дихання? 12.Перерахуйте основні етапи анаеробного окислення глюкози. 13.Перерахуйте основні етапи аеробного окислення глюкози. 14.Наведіть сумарну реакцію процесу дихання. 15.Поясніть на які групи діляться мікроорганізми в залежності від ставлення до кисню? 16. Назвіть окислювально-відновні ферменти які є в клітинах облігатних анаеробів? 17.Наведіть приклади мікроорганізмів, які відносяться до факультативних анаеробів. 18. Поясніть чим відрізняється аеробне дихання від анаеробного? 19.Поясніть чим відрізняється активний транспорт від пасивної та полегшеної дифузії? 1. 2. 3. 4. Література: Основна 1. Вербина Н.М., Каптерева Ю.В. Микробиология пищевых производств. Москва: Агропромиздат, 1988. 256 с., ст.50-53 16 17 18 19 20
