Вуглець як провідне джерело живлення мікроорганізмів

Субстратами підготовчого (периферійного) метаболізму джерел вуглецю є провідні полімери - целюлоза, пектини, лігнін.

Важливе значення серед аеробних деструкторів целюлози займають бактерії родів Cytophaga, Sporocytophaga, Sorangium, Archangium і Pseudomonas. Але основна роль у розкладі целюлози в аеробних умовах належить грибам, зокрема, Fusarium, Chaetomium, Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Trichoderma viride, Myrothcium verrucaria.

Розкладання целюлози здійснюється целюлолітичним комплексом.

В анаеробних умовах целюлоза трансформується переважно мезофільними і термофільними бактеріями роду Clostridium з утворенням різних кінцевих продуктів. Целюлозолітичні бактерії – це важливі складові мікробіоценозу рубця жуйних тварин.

Пектини (грец. πηχτός - зсілий, скипілий) –– полігалактуроніди (CHO(CHOH)₄COOH), які складаються із залишків нерозгалужених a-D-галактуронових кислот, з’єднаних b-1,4-глюкозидними зв’язками. Карбоксильні групи кислот повністю або частково етерифіковані метанолом.

Фітопатогенність різних мікроорганізмів (грибів Botrytis cinerea, Fusarium oxysporum, Cladosporium, Alternaria, Penicillium, Fusarium, Sclerotinia) базується на екскреції пектинолітичного комплексу. Бактерія Erwinia carotovora викликає розпад тканин (мокрі гнилі) у багатьох рослин. Найбільш активними деструкторами пектинових речовин є Bacillus macerans і B. polymyxa. Таку здатність проявляють й інші бактерії: B. subtilis, Clostridium pectinovorum, C. pectinolyticum.

Лігнін (лат. lignum – деревина) – найбільш поширена у природі полі­мерна циклічна сполука, яка знаходиться у вторинних шарах клітинної обо­лонки клітин рослин і, як один із компонентів, входить до складу міжклітинної речовини.

Всі мономерні блоки в молекулі лігніну – це похідні фенілпропану – коніферилового, кумарового та синапового спиртів. Ці мономери зв’язані між собою не однією формою зв’язку, а різними – виявляються ефірні і С-С зв’язки, які надзвичайно стійкі до дії ферментів.

В аеробній деструкції лігніну беруть участь різні представники відділу грибів Basidiomycоtа. Лігніноактивними є також мікроскопічні гриби Trichoderma lignorum, Alternaria tenuis, Stremphylium botryosum.

Бактерії роду Pseudomonas беруть участь у термофільній деструкції лігніну. В анаеробних умовах лігнін розкладається, бактеріями роду Clostridium.

Первинна дія при деструкції лігніну здійснюється екзоферментами поліфенолоксидазами.

Провідним мономером більшості вуглецевих субстратів є глюкоза, до якої розкладаються вище згадані полімери. Розщеплення її фосфорильованої форми (глюкозо-6-фосфату) до пірувату здійснюється 3 шляхами:

1. Гліколіз (шлях Емдена-Мейєргофа-Парнаса, гексозодифосфатний).

2. Шлях Ентнера-Дудорова (2-кето-3-дезокси-6- фосфоглюконатний)

3. Пентозофосфатний шлях (фосфоглюконатний, Варбурга-Діккенса-Хорекера, гексозомонофосфатний)

Окиснення пірувату можливе 4 шляхами:

1. Піруватдегідрогеназою до ацетил-КоА та СО₂ у облігатних аеробів.

2. Фередоксин-оксидоредуктазою з утворенням ацетил-КоА та СО₂ у облігатних анаеробів.

3. Форміатліазою з утворенням ацетил-КоА та форміату у факультативних анаеробів.

4. Піруватдекарбоксилазою до ацетальдегіда та СО₂ у дріжджів.

В анаеробних умовах від пірувату можуть починатись перетворення за різними схемами, процеси бродіння.

В аеробних умовах ключовий центраболіт катаболізму гетеротрофів – піруват, перетворюючись в ацетил-КоА, включається у цикл Кребса. ЦТК є одним з центральних амфіболічних процесів. Карбонові кислоти, які утворюються під час його реакцій, можуть використовуватись в біосинтезі.

Мікроорганізми можуть також фіксувати СО₂ наступними шляхами:

1. Цикл Кальвіна (відновлювальний пентозофосфатний або рибулозодифосфатний шлях) у більшості ціанобактерій, пурпурних та зелених бактерій.

2. Відновлювальний ЦТК (цикл Еванса-Буханана-Арнона) у аноксигенних зелених сіркових бактерій Chlorobium thiosulfatophilum.

3. Шлях відновлення ацетил-КоА (шлях Люнгдаля-Вуда) у архей та анаеробних бактерій Moorella thermoacetica

4. 3-гідроксипропіонатний цикл у аноксигенних зелених несіркових бактерій Chloroflexus aurantiacus.

5. 3-гідроксипропіонатний/4-гідроксибутиратний цикл аеробних екстремальних термофільних археїв

6. Дикарбоксилатний/4-гідроксибутиратний цикл анаеробних гіпертермофільних археїв

Капнофіли (грец. καπνός — дим) — мікроскопічні гриби відділу Neocallimastigomycota та хемоорганотрофні мікроаерофільні або анаеробні бактерії класів Epsilonproteobacteria та Gammaproteobacteria, які потребують газової атмосфери існування із вмістом СО₂ в концентрації 10-15 %. До капнофілів належать бактерії Campylobacterium, Arcobacter, Mannheimia succiniciproducens, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Basfia succiniciproducens, представники мікробіоти рубця жуйних тварин.

Токсичні речовини. Субстрати існування мікроорганізмів містять як поживні, так і токсичні речовини. Найбільш рідкісне явище в природних еконішах – повна відсутність токсичних речовин.

За типом впливу токсичних речовин на клітину їх дія може бути бактерицидною (фунгіцидною) або бактеріостатичною (фунгістатичною).

При бактерицидності (лат. сaedere – вбивати) – дія фактору призводить до загибелі клітини.

Бактеріостаз (грец. bacterion – паличка, stasis – стояти на місці) – затримка росту і розмноження бактерій. Припинення дії фактора призводить до відновлення цих процесів.

В багатьох випадках токсична речовина в малих концентраціях може мати бактеріостатичний ефект, тоді як у високих – бактерицидний.

Хімічним елементом, дія якого може бути небезпечною, але є необхідною для процесів окиснення є кисень. Агресивність кисню врівноважується повільністю процесів окиснення за його участю. Проте, за певних умов кисень перетворюється на високоактивний.

Активовані форми кисню (АФК) наступні:

1. Супероксид-аніон (OO-) або О2-

2. Пероксид-аніон

3. Пероксид водню

4. Гідроксильний радикал

5. Синглетний кисень

Генерація АФК можлива внаслідок автоокиснення компонентів дихального ланцюга (хінону) (О₂+ е- =О₂- ), синтезу таких термінальних оксидаз, що швидко реагують з киснем (фумаратредуктаза), вільної дифузії до клітини або утворення H₂O₂, реакцій Фентона та Габера-Вейса, а також короткохвильвого опромінення, теплового шоку, впливу речовин, особливо циклічних фотохромів.

Реакція Фентона

H₂O₂ + Fe²⁺ = Fe³⁺ + HO^- + HO^• (гідроксильний радикал)

Реакція Габера-Вейса

ОО^- + HO^- ® HO^• + *O₂ (синглетний кисень)

Серед різноманітних АФК найбільш небезпечним є гідроксильний радикал.

За характером впливу хімічні речовини розрізняють на такі, що впливають невибірково (спирти, кислоти, оксиди, перекиси, альдегіди, кетони, феноли, крезоли, галогенові сполуки, важкі метали), ушкоджуючи різні мішені – ферменти, структуру мембран.

Більш специфічними за механізмом дії є детергенти (мила, додецилсульфати, четвертинні амонійні сполуки тощо), які порущують тількі функції мембран.

Специфічною є також дія багатоциклічних хромофорних сполук (барвники, алкалоїди). Ці речовини є нуклеотропними, що діють передусім на ДНК. Вони сприяють фотосенсибілізації та фотодинамічному ефекту.

Найбільш вибірковими визнано антибіотики, які мають провідні мішені дії або на рівні синтезу полімерів клітинної стінки, або трансляції, або синтезу нуклеїнових кислот або функціонування мембран.

Багато речовин набувають токсичної дії тільки після трансформації, зокрема у вільні радикали.

Вільні радикали - це молекулярні частки, які мають непарний електрон на зовнішній електронній оболонці і володіють високою реакційною здатністю.

Вільні радикали зв’язуються з білками, зв’язуються з ДНК та РНК, окиснюють SН-групи, пероксидують ліпіди, зумовлюють оксидативний стрес.

Класичний оксидативний стрес – це збільшення рівня активованих форм кисню (АФК) внаслідок порушення рівноваги між процесами їх утворення і детоксикації.

Ушкодження клітин опосередковане також фотохромами-сенсибілізаторами – речовинами, молекули яких мають циклічну будову, зокрема барвники, нуклеотропні сполуки.

Фотодинамічний єфект - це незворотне АФК ушкодження забарвлених структур при опроміненні. Синглетний кисень утворюється через міграцію енергії з молекули фотосенсибілізатора на молекулу О₂.

Утворення і знешкодження активних форм кисню

НАДФН + 2O=O = НАД + 2(OO^-) (супероксид аніон-радикал).

Механізм захисту - супероксиддисмутаза (СОД)

OO^- + ОО^- + 2Н = О₂ +НООН (Н₂О₂) (пероксид водню)

Механізм захисту – каталаза

2H₂O₂ = H₂O + O₂

або - пероксидаза

H₂O₂ + DН₂ = 2H₂O +D

Найбільш небезпечною є реакція утворення гідроксильних радикалів, від яких немає прямого механізму захисту.

Реакція Фентона

H₂O₂ + Fe²⁺ = Fe³⁺ + HO^- + HO^-(гідроксильний радикал)

Для захисту клітин від інших окисників мікроорганізми здатні синтезувати ферменти системи глутатіону -глутаміл-L-цистеїнілглицин, GSH

Глутатіонредуктаза регенерує GSH з токсичного для клітини дисульфіду GSSG шляхом НАДФН-залежного відновлення:

GSSG + HAДФН + Н+ → 2GSH + HAДФ+.

Глутатионтрансферази детоксикують пестициди та гербіциди

RХ + GSH → RSG + НХ, де Х – нуклеофільна група.

знешкоджуютьтоксичні продукти перекисного окиснення ліпідів

R + GSH → НRSG.

відновлюють гідроперекиси ліпідів:

ROOH + 2GSH → ROH + GSSG + Н2О.

Окрему групу токсичних речовин для мікроорганізмів складають важкі метали.

У відповідності з класифікацією Реймерса важкими вважають метали зі щільністю більше 8 г/см3 та атомною масою більше 40: Ag, Au, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Fe, Mn, Ni, Pb, Pt, Sb, Sn, Zn, W.

Метали у вигляді іонів є поширеними компонентами у метаболізмі мікроорганізмів, необхідними для нормальної життєдіяльності клітин, – Ca^2+, Na⁺, K⁺ та інші).

Рівень токсичності металів залежить від форми сполук (іони токсичніші за недисоційовані солі та комплексні сполуки) та валентності (Сr ⁺⁶ токсичніший за Сr ⁺³).

Найтоксичніші для мікроорганізмів метали - Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb.

Взаємодія мікроорганізмів із різними металами відбувається поетапно:

1) мобілізація – переведення нерозчинних форм металів у розчинні в умовах зниження рН середовища при окисненні органічних сполук;

2) іммобілізація – утворення нерозчинних осадів із розчинних сполук металів;

3) акумуляція – сорбція металів на поверхні клітини або нагромадження металу всередині клітини;

4) утворення летких сполук металів через метилювання за участю метилкобаламінів.