Глава 3 физиология микроорганизмов

физиология (от греч. physis - природа, природные свойства, logos - учение, наука) изучает жизнедеятельность различных организмов, их взаимодействие с окружающей средой.

Физиология микроорганизмов изучает вопросы метаболизма у микробов, т. е. обмена веществ и энергии, а также рост и размножение клеток. Знание физиологических процессов у микроорганизмов создает научную основу для проведения культивирования (выращивание), идентификации (распознавание) видов микробов, получения биологических и лечебных препаратов (заквасок, витаминов, ферментов, аминокислот, антибиотиков, вакцин и др.).

3.1. Особенности метаболизма у микроорганизмов

Под метаболизмом (от греч. metabole — изменение, превращение) понимают совокупность биохимических реакций и превращений веществ, происходящих в микробной клетке, направленных на получение энергии и дальнейшее использование ее для синтеза органических веществ.

Термин «метаболизм» объединяет два взаимосвязанных, но противоположных процесса — анаболизм и катаболизм. Они присущи всем живым существам и являются основными признаками живого.

Анаболизм (питание; ассимиляция; конструктивный, или строительный, обмен; обмен веществ) сводится к усвоению, т. е. к использованию микроорганизмами питательных веществ, поступивших из внешней среды, для биосинтеза компонентов (веществ) собственного тела. Это достигается чаще восстановительными эндотермическими реакциями, для течения которых требуется энергия.

Катаболизм (дыхание, диссимиляция, биологическое окисление) характеризуется расщеплением (окислением) сложных органических веществ до более простых продуктов с освобождением заключенной в них энергии, которая используется микроорганизмами для синтеза веществ данной клетки. Этот обмен называется также энергетическим.

В большинстве случаев одно и то же вещество используется как в ассимиляции, так и в диссимиляции. Исключением являются углеводы, которые подвергаются расщеплению и не принимают участия в конструктивном обмене.

Метаболизм у микроорганизмов характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ. Так, при благоприятных условиях в течение суток одна клетка бактерий усваивает веществ в 30-40 раз больше величины своей массы.

В обмене веществ принимают участие различные химические вещества. В зависимости от этого различают белковый, углеводный, липидный и водно-солевой обмен.

Белковый обмен. Распад белка вначале происходит до пептонов под действием ферментов экзопротеаз. В дальнейшем пептоны под влиянием эндопротеаз расщепляются до аминокислот, которые поступают в клетку. Здесь аминокислоты могут подвергаться дезаминированию и декарбоксилированию.

В результате дезаминирования образуются аммиак, кетокислоты или оксикислоты, спирт и другие вещества.

Декарбоксилирование аминокислот происходит при развитии гнилостных бактерий с образованием токсичных продуктов «трупных ядов». При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин, орнитина - путресцин, лизина - кадаверин, тирозина - тирамин. Некоторые микробы вырабатывают фермент триптофаназу, под влиянием которой аминокислота триптофан распадается с образованием индола. Наличие индолообразования используют при идентификации микроорганизмов.

Наряду с реакциями расщепления белков происходят и процессы их синтеза. Для построения белков бактерии используют аминокислоты. Бактериальные клетки удовлетворяют свои потребности в аминокислотах двумя» путями: одни микроорганизмы получают аминокислоты при расщеплении белка, другие синтезируют их из простых соединений азота. Важным свойством микробов является способность синтезировать незаменимые аминокислоты (метионин, триптофан, лизин). Синтез белка совершается в рибосомах клетки.

Белковый обмен находится в тесной связи с углеводным обменом. Для построения белковых соединений используется пировиноградная кислота, а дикарбоновые кислоты являются активными посредниками в биосинтезе аминокислот.

Углеводный обмен. Углеводы расщепляются под действием ферментов с образованием глюкозы и мальтозы. Под влиянием ферментов мальтазы, сахаразы, лактазы, дисахариды, поступившие внутрь клетки бактерии, подвергаются гидролизу и распаду на моносахариды, которые затем ферментируются с разрывом цепи молекул углевода и освобождением значительного количества энергии.

Расщепление микробами углеводов сопровождается образованием органических кислот, которые могут распадаться до конечных продуктов – СО₂ и Н₂О.

Синтез углеводов у микроорганизмов происходит фото- и хемосинтетически. При фотосинтезе зеленые и пурпурные бактерии, содержащие пигменты типа хлорофилла, синтезируют глюкозу из диоксида углерода, содержащегося в воздухе. При этом для течения эндотермических реакций синтеза необходима энергия света.

Процесс фотосинтеза у бактерий (прокариот) отличается от фотосинтеза у зеленых растений (эукариоты). У растений при фотолизе донором водорода служит вода, в результате чего выделяется молекулярный кислород.

У прокариот, за исключением синезеленых водорослей, донорами водорода являются H₂S, Н₂, другие минеральные и органические соединения, поэтому в результате реакции фотосинтеза кислород не образуется. Главным пигментом фотосинтеза у бактерий является бактериохлорофилл, у зеленых растений - хлорофилл, находящийся в хлоропластах, каждый из которых эквивалентен прокариотической клетке. У бактерий хлоропласты отсутствуют.

Хемосинтез осуществляют микроорганизмы, синтезирующие углеводы из глюкозы, которая предварительно образуется в результате сахаролитических реакций, т. е. расщепления сложных Сахаров. Для хемосинтеза используется химическая энергия, освобождаемая при распаде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), т. е. энергия химических реакций.

Липидный обмен включает процессы гидролиза липидов, всасывания жирных кислот и моноглицеридов, биосинтеза специфических липидов, их расщепления и выделения конечных продуктов распада.

Большинство видов бактерий усваивают липиды в виде глицерина, который служит источником энергии. Микроорганизмы используют его также для синтеза липидов, которые в виде включений являются резервными питательными веществами (питательным материалом).

Основные процессы липидного обмена осуществляются при помощи липазы и других липолитических ферментов, прочно связанных с клеточной цитоплазмой.

Водно-солевой обмен включает поступление и выделение воды и минеральных солей, а также превращения, происходящие с ними.

Только небольшое число элементов Периодической системы Д.И. Менделеева требуется микроорганизмам в относительно высоких концентрациях - это десять главных биологических элементов (макроэлементы): С, О, Н, N, S, Р, К, Mg, Ca, Fe. Основными компонентами органических соединений являются первые четыре элемента - органогены.

Сера требуется для синтеза аминокислот цистеина и метионина и некоторых ферментов. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, тейхоевых кислот, многих нуклеотидов. Остальные четыре элемента - это ионы металлов, используемые в качестве кофакторов ферментов, а также компонентов металлокомплексов.

Кроме перечисленных главных элементов микроорганизмам требуются еще десять микроэлементов: Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Se, Co, Сu, W, Ni, которые участвуют в синтезе ферментов, активизируют их.

Из различных элементов и их соединений микроорганизмы синтезируют белки, нуклеопротеиды, глюцидолипиднопротеидные комплексы, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.