logo
logo

Сущность обмена веществ. Основу жизнедеятельности микроорганиз­мов, как и всех живых организмов, составляет обмен веществ. Обмен ве­ществ — это совокупность химических превращений веществ в клетке. Он складывается из двух взаимосвязанных процессов — катаболизма и анабо­лизма.

Катаболизм — это ферментативное расщепление сложных органичес­ких соединений (углеводов, жиров, белков), осуществляющееся внутри клетки за счет реакций окисления. Источником углеводов, жиров, белков может быть либо окружающая среда, либо запасные питательные вещества, отложившиеся ранее в самой клетке. В ходе окисления крупные молекулы расщепляются с образованием более мелких, например молочной, уксусной кислот, углекислого газа, аммиака, мочевины. Катаболизм сопровождается выделением энергии (энергетический обмен) и запасом ее в макроэргических фосфатных связях — аденозинтрифосфате (АТФ).

Анаболизм — это синтез (строительный, или конструктивный обмен) органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, жиров) из простых веществ, поступающих в клетку из окружающей среды или образующихся в процессе катаболизма. Процессы синтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая поставляется АТФ.

Катаболизм и анаболизм протекают одновременно и составляют сущ­ность обмена веществ — метаболизма.

Микроорганизмы обладают исключительным разнообразием процессов обмена веществ в зависимости от способов получения энергии и потребнос­тей в веществах из питательной среды для построения веществ тела.

У микроорганизмов часто очень трудно разграничить энергетические процессы и процессы, связанные лишь со строительным обменом. В боль­шинстве случаев питательные вещества (белки, углеводы, органические кислоты), потребляемые микроорганизмами из питательных сред, одновременно служат и источником питания, и источником энергии.

Ферменты микроорганизмов. Обмен веществ всех организмов обуслов­ливается деятельностью ферментов. Ферменты являются биологическими катализаторами, т. е. активаторами и ускорителями биохимических реак­ций в клетке. Они оказывают влияние на скорость химической реакции, но не входят в состав ее конечных продуктов. Названия многих ферментов образуются путем добавления окончания "аза" к названию субстрата, т. е. того соединения, на которое воздействует данный фермент. Например, про теиназы катализируют гидролиз протеинов (белков), липазы — липидов (жиров) и т. д. Кроме того, ферменты называют и по химическим процес­сам, которые они катализируют. Так, ферменты, катализрующие отнятие водорода от субстрата (дегидрогенирование), называют дегидрогеназами.

Катаболизм (распад питатель­ных веществ среды). По химической природе ферменты являются белками. Различают однокомпонентные и двухкомпонентные ферменты. Однокомпонентные ферменты представляют собой простые белки (протеины). Двухкомпонентные ферменты состоят из белка и активной группы, поэтому относятся к сложным белкам (протеидам). В качестве активной группы могут выступать либо коферменты, либо простетические группы, прочность связи которых с белком неодинакова.

Коферменты легко отделяются от белковой части и способны к самос­тоятельному существованию. Так, коферменты дегидрогеназ НикотинАмидаденинДинуклеотид (НАД) и ФлавинАденинДинуклеотид (ФАД) катализируют окисление различных субстратов путем отнятия водорода. Примера­ми коферментов являются большинство витаминов (Е, Вь В2, В12 и др.) или их производные.

Простетическая группа прочно связана с белковой частью и не отделя­ется от нее, например гем, содержащий железо, у ферментов цитохромной системы.

Если белковая часть фермента определяет его узко специфические свойства, то активные группы — каталитическую активность. Характерной особенностью ферментов является специфичность их дей­ствия: один и тот же фермент действует лишь на определенное вещество.

Например, фермент лактаза вызывает гидролиз молочного сахара (лакто­зы) и не действует на другие углеводы.

По действию ферменты микроорганизмов подразделяются на эндо- и экзофзрменты. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой и фун­кционируют только внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена. Экзоферменты выделяются клеткой в среду и катализируют реакции гидролиза сложных органических соеди­нений (белков, жиров, углеводов и др.) на более простые, доступные для усвоения клеткой микроорганизмов. К ним относятся гидролитичес­кие ферменты, играющие исключительно важную роль в питании микроор­ганизмов.

В зависимости от условий образования ферментов их подразделяют на конститутивные и адаптивные. Конститутивные ферменты являются составной частью клетки. Адаптивные ферменты вырабатываются клеткой только при изменившихся условиях жизни. В этом случае микроорганизм синтезирует фермент, которым ранее он не обладал.

Активность ферментов зависит от температуры. При 80 — 100°С ферменты разрушаются, а при 0°С и ниже их деятельность приоста­навливается.

На активность ферментов оказывает влияние и рН среды. Так, у бак­терий, растущих в кислой среде, максимум активности ферментов наблю­дается при рН 4,8, а в нейтральной и близкой к нейтральной среде — при рН 7,2.

Лучистая энергия (ультрафиолетовые лучи, радиоактивные излучения) разрушает ферменты.

На активность ферментов влияет присутствие в среде различных хими­ческих веществ. Одни из них повышают активность ферментов (активато­ры) , а другие снижают (ингибиторы). Активаторами могут быть некото­рые органические вещества (витамины), а также соли, например хлорис­тый натрий, двухвалентные катионы (Са, Mn, Ni, Mg). Ингибиторами ферментов являются соли тяжелых металлов, антибиотики и др. Для отдельных ферментов можно подобрать специфические активаторы и ингибиторы, с помощью которых можно регулировать их активность. Это имеет большое значение при получении ферментов и практическом их ис­пользовании.

На скорость ферментативных процессов оказывает влияние и концен­трация субстрата.

Физиологические процессы, протекающие в клетках микроорганизмов, почти полностью зависят от активности ферментов, поэтому любой фактор, действующий на фермент, будет действовать и на микроорганизмы.

Ферменты и после гибели микроорганизмов временно остаются в ак­тивном состоянии; в результате их действия происходит самопереварива­ние, или автолиз клеток. При разрушении клеток ферменты поступают в окружающую среду.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. По типу катализи­руемой реакции ферменты классифицируют на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.

Классы подразделяют на подклассы. Каждый фермент имеет название и шифр из четырех цифр. Первая цифра обозначает класс, вторая подкласс, третья — подподкласс, четвертая — порядковый номер данного фермента. Для упрощения изложения в учебнике использована рабочая номенклатура наиболее распространенных ферментов микроорганизмов.

Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные ферменты) ката­лизируют окислительно-восстановительные реакции процессов обмена ве­ществ микроорганизмов. В результате их деятельности происходит окис­ление органических веществ с выделением энергии. К этой группе от­носятся следующие ферменты:

— дегидрогеназы, которые делят на анаэробные и аэробные. Анаэробные (первичные) дегидрогеназы передают отнятый от окисляемого субстрата водород другим дегидрогеназам или молекулам каких-либо органических веществ. При этом одно вещество окисляется, а другое восстанавливается. Коферментом одних (большинства) анаэробных дегидрогеназ является НАД, кофермент других (меньшинства) анаэробных дегидрогеназ - никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). К ним относятся алкогольдегидрогеназа, катализирующая образование спирта, лактатдегидрогеназа — молочной кислоты и др. Аэробные (вторичные) дегидрогеназы передают активированный водород, отнятый от окисляемого вещества или от вос­становленной анаэробной дегидрогеназы, кислороду воздуха непосред­ственно или через промежуточных переносчиков. Аэробные дегидрогеназы, передающие водород субстрата непосредственно кислороду, называются оксидазами. К оксидазам относится полифенолоксидаза, катализирующая реакцию окисления полифенолов с образованием темноокрашенных соеди­нений меланинов. Этот фермент есть у многих плесневых грибов.

Наличием полифенолоксидазы обусловлено потемнение на воздухе поверхности сре­зов яблок и клубней картофеля. К аэробным дегидрогеназам относятся флавиновые ферменты, коферментом которых является ФАД. Одни флавиновые ферменты могут переносить водород непосредственно на кислород, другие передают водород от окисляющихся веществ к кислороду через сис­тему промежуточных ферментов - переносчиков. В таких случаях водород многократно переносится от одного вещества к другому, пока не достиг­нет своего конечного акцептора - кислорода. Кислород подвергнет восста­новлению с образованием воды или перекиси водорода. В этих процессах важное значение имеет цитохромная система, состоящая из цитохромов и цитохромоксидазы. Роль цитохромов заключается в переносе электронов от водородного атома восстановленной дегидрогеназы на цитохромоксидазу. Цитохромоксидаза катализирует реакцию между восстановленным цитохромом (последним в цепи цитохромов) и кислородом;

  • пероксидаза катализирует окисление органических веществ с помощью перекиси водорода или органических перекисей. Перекиси действуют как акцепторы водорода;
  • каталаза разлагает перекись водорода, которая образуется в процессе обмена веществ на воду и молекулярный кислород.

Трансферазы (ферменты переноса) катализируют перенос атомных группировок от одного соединения к другому. Наиболее важное значение в обмене веществ имеют фосфортрасферазы и аминотрансферазы.

Примером фосфортрансфераз может служить гексокиназа — фермент, катализирую­щий перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на глюкозу. При этом образуются фосфорный эфир глюкозы и аденозиндифосфат (АДФ) :

АТФ + глюкоза гексокиназа глюкозо-6-фосфат + АДФ.

Аминотрансферазы — ферменты, катализирующие перенос аминогрупп (NH2)с аминокислоты на кетокислоты, участвуют в образовании новых аминокислот в клетке.

Гидролазы катализируют гидролиз сложных органических соеди­нений в присутствии воды. Гидролазы подразделяют на подгруппы в зави­симости от веществ, на которые они действуют. Так, карбогидразы - фер­менты, катализирующие гидролиз и синтез гликозидов, ди-, три- и полиса­харидов и действующие на олигосахариды, называют олигазами, а на поли­сахариды — полиазами. К олигазам относятся мальтаза, сахараза, лактаза; к полиазам — амилаза и глюкоамилаза. Целлюлаза — фермент, гидролизующий целлюлозу (клетчатку), встречается в грибах и некоторых бактериях. Пектолитические ферменты — комплекс ферментов (протопектиназа, пектаза, пектиназа) гидролизуют пектиновые вещества, которые находят­ся в органах растений в качестве межклеточного вещества и входят в состав клеточных оболочек. Протеазы (протеолитические ферменты) катализи­руют гидролиз белков, пептидов. Протеиназы гидролизуют непосредствен­но белки с образованием пептидов. Пептидазы гидролизуют полипептиды и дипептиды до аминокислот. Каждая из протеаз разрывает пептидные связи между определенными аминокислотами. Дезаминазы и амидазы катализи­руют гидролиз аминокислот и амидов с отщеплением азота в виде аммиака. Аспарагиназа и глутаминаза играют важную роль в азотном обмене микро­организмов.

Эстеразы катализируют гидролиз сложных эфиров (эстеров). К ним относятся липазы, которые вызывают гидролиз жиров на глицерин и высокомолекулярные жирные кислоты. Фосфотазы расщепляют эфиропо- добные фосфорсодержащие органические соединения с освобождением фосфорной кислоты. Эти ферменты играют важную роль в энергетическом обмене микроорганизмов.

Лиазы катализируют реакции отщепления различных групп (С02, Н20, NH3) от молекулы субстрата в отсутствие воды. Лиазы подразделя­ются на подклассы. Так, альдолаза расщепляет гексозы натриозы: фруктозодифосфат на фосфодиоксиацетон и фосфоглицериновый альдегид. Декарбоксилазы катализируют декарбоксилирование (отщепление С02) органических кислот.

Например, пируватдекарбоксилаза катализирует отщепление С02 от пировиноградной кислоты (пирувата) с образова­нием уксусного альдегида. Декарбоксилированию подвергаются амино­кислоты с образованием аминов:

RCHNH2COOH декарбоксилаза RCH2NH2+ С02.

Эти ферменты характерны особенно для гнилостных микроорганизмов.

Изомеразы катализируют изомеризацию органических соединений — внутримолекулярные перегруппировки. Так, ТриозоФосфатИзоМераза ката­лизирует превращение фосфодиоксиацетона и фосфорглицеринового аль­дегида - ГлюкозоФосфатИзомераза — глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6- фосфат.

Лигазы катализируют процесс соединения двух молекул при одновре­менном распаде молекулы АТФ:

В + АТФ =ВФ + АДФ;

А + ВФ=АВ + Ф.

Так, синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кислоты и углекислого газа катализирует пируваткарбоксилаза. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Используя ферментативную способность бактерий и грибов, их широко применяют в промышленном производстве для приготовления уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот, молочных продуктов (сыр, ацидо­филин, кумыс и пр.), в виноделии, пивоварении, в изготовлении фермент­ных препаратов. В рыбообрабатывающем производстве используются бак­териальные протеиназы как размягчители — тендеризаторы жесткого мяса некоторых морских рыб.

Химический состав микроорганизмов. Клетки микроорганизмов содер­жат 75 — 85%. воды и 15 — 25% сухого вещества. Вода находится в клетке в свободном и связанном состоянии. Связанная вода входит в химический состав белков, жиров и углеводов. Свободная вода участвует как компо­нент в химических реакциях, служит растворителем различных органичес­ких и минеральных соединений, образующихся в клетке в процессе ее обмена веществ. Большую часть (90 — 96%) сухого вещества составляют С, N, О, Н, из которых синтезируются белки, жиры, углеводы и дру­гие органические соединения. Наибольшее значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеют белки (особенно сложные), такие как нуклеопро- теиды, состоящие из белка и нуклеиновых кислот. Они играют большую роль в росте и размножении микроорганизмов, передаче наследственных признаков. Из углеводов в клетке больше всего полисахаридов (гликоген, декстран и леван, образующие капсулы бактерий).

Липиды (жиры и близкие к ним жироподобные вещества — липоиды) находятся главным образом в клеточной стенке и цитоплазматической мембране. Они оказывают влияние на проницаемость клеточной стенки, защищают от неблагоприятных условий внешней среды, могут накапли­ваться как запасной питательный материал. Значительная часть липидов связана с другими веществами клетки, образуя сложные комплексы — фосфолипиды, липопротеиды.

В клетках микроорганизмов помимо белков, углеводов и липидов находятся и другие вещества: органические кислоты и их соли, пигменты, витамины и др.

Минеральные веществамакроэлементы (S, Р, К, Mg, Mn,Fe, Na, CI) и микроэлементы (В, Mo, Zn,Си, Br, I, Со и др.) составляют 3 — 10% сухого вещества микроорганизмов. Они играют важную роль в регулировании осмотического давления в клетке и в течении биохимических реак­ций.

Питание микроорганизмов. Вещества, в которых нуждаются микроорганизмы и которые потребляются ими из окружающей среды, получили название питательных, а среды, содержащие их — питательных сред. Для каж­дого вида или группы близких видов необходима своя питательная среда.

Бактерии

Дрожжи

Грибы

Углерод

50,4

49,8

47,6

Азот

12,3

12,4

5,24

Водород

6,78

6,7

6,7

Кислород

30,52

31,1

40,16

Cреды, предназначенные для развития отдельных видов микроорганизмов, называются элективными, или избирательными.

Микроорганизмы отличаются от всех других организмов огромной ско­ростью потребления питательных веществ. В результате исследований уста­новлено, что бактериальная клетка за сутки потребляет "пищи" в 20 раз больше массы своего тела. Это свидетельствует о повышенном обмене ве­ществ у микроорганизмов.

Микроорганизмы в отличие от растений и животных характеризуются многообразием типов питания. В строительном обмене основная роль при­надлежит углероду, поскольку все соединения, из которых построены жи­вые организмы — это соединения углерода. По источнику углеродного пи­тания микроорганизмы можно разделить на две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные микроорганизмы получают углерод из углекислоты и ее солей и синтезируют из него сложные органические со­единения. Синтез органических веществ из минеральных соединений тре­бует затраты энергии. Источником энергии для одних автотрофных организ­мов может быть солнечный свет, и поэтому их называют фототрофами, или фотосинтезирующщли. Фотосинтезирующие бактерии содержат пигменты (бактериохлорофилл, хлоробиум, каротиноидные пигменты), роль кото­рых сводится к поглощению световой энергии.

Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций. Такие микроорга­низмы называют хемотрофами, или хемосинтезирующими. К хемосинтези- рующим микроорганизмам относятся водородные бактерии (окисляющие водород с образованием воды), нитрифицирующие бактерии (окисляю­щие аммиак в азотную кислоту) и др.

Гетеротрофные микроорганизмы чаще всего в ка­честве источника углерода используют органические соединения независимо от их структуры, физико-химических свойств или реакционной способнос­ти. Но существуют и такие, которые нуждаются в строго определенном углеродсодержащем органическом веществе. Большинство гетеротрофов живет за счет органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения — их называют сапрофитами, или метатрофами. К этой группе относятся большинство бактерий, грибы, дрожжи. Неко­торые из них вызывают гниение и самые разнообразные брожения. Гетеротрофы, способные питаться за счет органических веществ другого живого организма, называются паразитами, или паратрофами. К ним принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений. Паразитами бактерий являются бактериофаги.

Подразделение микроорганизмов по типам питания на автотрофов и гетеротрофов довольно условно. Так, автотрофные несерные пурпурные бактерии способны наряду с СO2 использовать органические соединения. Гетеротрофы используют СO2 в качестве дополнительного источника углерода для биосинтеза веществ клетки. Кроме углерода важнейшим эле­ментом для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других азотсодержа­щих веществ является азот.

По типу усвоения азота микроорганизмы делятся на аминоавтотрофные, синтезирующие белок из минеральных и простейших со­единений и даже молекулярного азота (нитрифицирующие, азотусваивающие бактерии), и аминогетеротрофные, использующие сложные органические соединения азота - готовые аминокислоты. Наиболее рас­пространенным источником азота в искусственных питательных средах являются пептоны, полипептиды и аминокислоты.

Потребность микроорганизмов в минеральных веществах не велика, но жизнедеятельность клетки без них невозможна.

Например, серу боль­шинство микроорганизмов усваивает из сернокислых солей. Серобактерии способны усваивать молекулярную серу. Фосфор, входящий в состав нуклеопротеидов клетки, усваивается из солей фосфорных кислот, а калий, магний, железо — из различных солей.

Источником водорода и кислорода являются вода и другие вещества. В ничтожно малых количествах из минеральных солей потребляются мик­роэлементы. Однако при отсутствии одного из них нормальное развитие клеток микроорганизмов нарушается. Помимо углеродистых, азотистых соединений, зольных элементов, микроорганизмам в минимальных коли­чествах необходимы еще особые вещества — стимуляторы роста, которыми в большинстве случаев являются витамины. Некоторые микроорганизмы сами синтезируют витамины, другие извлекают их из питательной среды. Витамины чаще всего входят в состав ферментов и играют важную роль в жизни клетки.

Например, витамин В2, или рибофлавин, содержится в ферментах — дегидрогеназах. У некоторых микроорганизмов стимулято­рами роста являются аминокислоты.

Например, цистин стимулирует рост гнилостного микроорганизма Proteusvulgaris. Пуриновые и пиримидиновые основания являются стимуляторами роста для молочнокислых бактерий.

Механизм поступления веществ в клетку. Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Питательные вещества поступают в клетку через всю ее поверхность. Это способствует быстрому обмену веществ меж­ду клеткой и питательной средой. Поступление веществ в клетку регули­руется цитоплазматической мембраной, которая является основным осмо­тическим барьером. Капсулы и слизистые слои в силу рыхлости своей структуры не оказывают сдерживающего влияния на проникновение в клетку большинства веществ. 

Известно несколько путей переноса питательных веществ через цитоплазматическую мембрану. Одни вещества диффундируют в сторону боль­шего осмотического давления — пассивная диффузия. Главной движущей силой такого переноса является разность концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны, т. е. в среде и цитоплазме клетки. Скорость такого процесса незначительна и требует затрат энергии клеткой микроорганизма. Путем пассивной диффузии в клетки поступает преи­мущественно вода. В этом случае цитоплазма клетки находится в набух­шем состоянии и плотно прижата к клеточной стенке. Постоянное упругое напряжение клеточного содержимого называется тургором.

Повышение концентрации питательных веществ (добавление пова­ренной соли или сахара) в питательной среде приводит к обезвоживанию клетки. В этом случае цитоплазма сокращается и отходит от оболочки. Та­кое явление называется плазмолизом. Если концентрация раствора значи­тельно ниже концентрации содержимого клетки (например, дистиллирован­ная вода), наступает процесс, обратный плазмолизу, плазмоптиз. Содер­жимое клетки разбухает, и форма ее меняется. Плазмолиз и плазмоптиз вредны для клетки: в ней могут произойти необратимые процессы, в результате чего клетка погибает. Явление плазмолиза лежит в основе методов консервирования пищевых продуктов растворами сахара, соли (посол рыбы), а также методов сушки. Ввиду плазмоптиза клеток микро­организмов микробиологи не должны пользоваться дистиллированной водой при разведении культур микроорганизмов, при смывах с повер­хности исследуемых объектов.

Большинство растворенных веществ проходит через мембрану благо­даря действию специальной системы, включающей белки-переносчики — пермеазы (от англ. permeable проницаемый). Пермеазы локализованы в цитоплазматической мембране и составляют значительную часть мембран­ного белка.

С участием пермеаз осуществляется два типа переноса веществ: облег­ченная диффузия и активный транспорт. Облегченная диффузия подчи­няется закону осмоса — от большей концентрации к меньшей и осуществля­ется с помощью пермеаз без затрат энергии. Скорость ее зависит от кон­центрации вещества во внешней среде. Активный транспорт — перенос вещества из среды с меньшей концентрацией к большей — сопровождается расходом энергии. Скорость поступления вещества в клетку достигает мак­симума уже при малой концентрации этого вещества в среде. Большинство питательных веществ поступает в клетку микроорганизмов путем актив­ного транспорта. Выход растворенных веществ из клетки чаще всего осу­ществляется путем облегченной диффузии.

Необходимым условием поступления веществ в клетку является их растворимость в воде или липидах. Клетка микроорганизмов можёт пот­реблять только те вещества, которые находятся в растворенном виде. Ряд органических веществ или совсем не растворяется в воде, или дает коллоидные растворы (белки, жиры, полисахариды). В то же время они необходимы для питания большинства микроорганизмов. Поэтому микро­организмы при помощи экзоферментов производят предварительный гид­ролиз их до более простых и растворимых соединений прежде, чем исполь­зуют для питания.

Например, белковые вещества под действием протеаз расщепляются до аминокислот; липиды расщепляются липазой до глице­рина и жирных кислот. Получающиеся в результате гидролиза вещества об­ладают меньшими размерами молекул, растворимы в воде и легко посту­пают в цитоплазму клеток.

Поступление минеральных солей в клетку зависит от степени диссоци­ации их на ионы, от рН среды, заряда цитоплазматической мембраны. Если цитоплазматическая мембрана имеет положительный заряд, то в клетку легче проникают ионы с отрицательным зарядом. Таким образом, поступле­ние питательных веществ в клетки микроорганизмов — процесс сложный и зависит от проницаемости. клеточной стенки и от транспортных ме­ханизмов.

Потребление и расходование энергии микроорганизмами. Жизнь микро­организмов, как и всех других живых организмов, связана с непрерывным потреблением и расходованием энергии. Энергия необходима для роста, размножения, спорообразования, переноса веществ в клетку, осуществле­ния движения и главным образом для синтеза органических веществ.

У микроорганизмов поступление энергии осуществляется либо при ис­пользовании энергии видимого света, либо окислении органических и мине­ральных соединений. Как уже говорилось, способностью использовать световую энергию обладают фототрофные микроорганизмы, а энергию, полученную путем окисления неорганических соединений, хемотрофные. Большинство микроорганизмов получают энергию за счет окисления ор­ганических соединений - углеводов, липидов, аминокислот и др. В клетке эти вещества подвергаются окислению через ряд последовательных фермен­тативных реакций. В основе их лежит перенос электронов (е -). Отдача электрона ведет к окислению, присоединение - к восстановлению.

Окисление веществ может происходить дегидрогенированием (отня­тием водорода). Так как атом водорода состоит из протона (Н +) и электро­на (е -), то перенос водорода с одного вещества на другое включает и пере­нос электрона. Вещество, отдающее электрон (или водород), называется донором, а вещество, их присоединяющее, - акцептором.

Конечным акцептором водорода может быть кислород воздуха или другое вещество.

Таким образом, все окислительные реакции в биологических системах обязательно сопровождаются восстановлением. Окислением является и присоединение к веществу кислорода.

Микроорганизмы, получающие энергию путем окисления органических веществ с использованием молекулярного кислорода, называются аэроб­ными, а без участия кислорода — анаэробными.

Анаэробные микроорганизмы в свою очередь подразделяют на облигатные, или безусловные, которые развиваются при полном отсутствии кисло­рода, и факультативные, или условные, способные расти и развиваться как при доступе кислорода, так и без него. Наряду с этим существует груп­па микроаэрофилов, объединяющая микроорганизмы, которые развивают­ся при ничтожно малом содержании кислорода в среде. Независимо от того, к какому типу относится тот или иной микроорганизм, биологическая сущ­ность окислительных процессов одна - получение энергии. Эти процессы лежат в основе аэробного дыхания микроорганизмов, когда конечным ак­цептором электронов служит молекулярный кислород, и брожения, когда конечный акцептор — органические или неорганические соединения. Аэ­робное дыхание и брожение объединены общим названием — биологическое окисление.

Энергия, освобождаемая при окислении органических веществ, исполь­зуется клеткой не сразу, а аккумулируется (запасается) в макроэргических химических связях соединений производных фосфорной кислоты. Такими соединениями являются аденозинтрифосфат (АТФ), ацетилфосфат, ацетилкофермент А, фосфорэнолпировиноградная кислота, 1, 3-дифосфорглицериновая кислота и др., но наиболее важным из них является АТФ, так как это соединение легко отдает энергию и быстро восстанавли­вает. Поэтому АТФ называют "разменной монетой" энергетического об­мена. АТФ — соединение нуклеотидного типа, содержащее три остатка фосфорной кислоты.

Два концевых остатка АТФ содержат макроэргические связи, которые обозначаются символом 'Ч Эти связи неустойчивы, легко разрываются, в результате чего выделяется до 48 тыс. кДж энергии на 1 грамм-молекулу (кДж/моль), в то время как при разрыве обычной фосфатной связи выде­ляется 12 тыс. кДж/моль.

Для большинства гетеротрофов основным источником энергии явля­ются углеводы, главным образом глюкоза. Расщепление углеводов микро­организмами осуществляется разными способами. При этом обязательным промежуточным продуктом является пировиноградная кислота (пируват). Наиболее характерным для аэробных и анаэробных микроорганизмов яв­ляется гликолитический способ расщепления глюкозы. Последовательное расщепление глюкозы до нировиноградной кислоты гликолитическим спо­собом происходит по следующей схеме:

1.   Глюкоза + АТФ Гексокиназа Глюкозо-6-фосфат + АДФ.

Энергия освобождается в результате расщепления богатой энергией фосфатной связи АТФ с образованием АДФ. Фосфатный остаток от молеку­лы АТФ присоединяется к молекуле глюкозы при участии фермента фосфотрансферазы (гексокиназы).

2.    Глюкозо-6-фосфат Глюкозофосфатизомераза Фруктозо-6-фосфат.

Перестройка молекулы происходит при участии фермента глюкозофосфатизомеразы. Освобождения энергии не происходит.

3.    Фруктозо-6-фосфат + АТФ Фосфортрансфераза Фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ.

Присоединение фосфата при участии фермента фосфортрансферазы сопровождается выделением энергии и образованием АДФ.

4.     Фруктозо-1,6-дифосфат Альдолаза Фосфордиоксиацетон + 3-фосфоглицериновый альдегид (триоза).

Молекула гексозы расщепляется на две молекулы триозы. Освобожде­ния энергии не происходит. Расщепление происходит при участии фермента ильдолазы. Оба эти вещества легко могут превращаться друг в друга. Фосфодиоксиацетон под действием триозофосфатизомеразы превращается в 3- фосфоглицериновый альдегид и образуется две молекулы 3-фосфоглицери- нового альдегида.

5.    3-Фосфоглицериновый + Н3Р04 + НАД Дегидрогеназа альдегид. 1,3- дифосфорглицериновая кислота + НАД • Н (+Н+).

Молекула триозы присоединяет фосфат. Реакция катализируется фер­ментом дегидрогеназой, коферментом которой является НАД. В окислении участвует фосфорная кислота. Н2 переносится на НАД, в результате чего образуется НАД ° Н(+Н+) и освобождается энергия, которая может накап­ливаться.

6.    1,3-Дифосфоглицериновая кислота + АДФ Фосфотрансфераза 3-фосфоглицериновая кислота + АТФ.

Энергия, освободившаяся на 5-м этапе, накапливается в виде фосфат­ных связей путем превращения АДФ и АТФ. Молекула теряет фосфат.

7.   З-Фосфоглицериновая кислота Фосфоглицеромутаза 2-фосфорглицириновая кислота.

Происходит перестройка молекулы. Освобождения энергии не про­исходит.

8.   2-Фосфоглицериновая кислота Энолаза фосфоэнолпировиноградная кислота.

От 2-фосфоглицериновой кислоты отщепляется Н и ОН. Энергия разрывается на 9-м этапе.

9. Фосфоэнолпировиноградная кислота + АДФ Пируваткиназа пировиноградная кислота + АТФ.

Молекула расщепляется с образованием пировиноградной кислоты. Остаток фосфорной кислоты присоединяется к АДФ, который привращается в АТФ, приобретая дополнительную макроэргическую связь.

Эти начальные этапы окислительного превращения глюкозы до пировиноградной кислоты происходят без участия кислорода и протекают нмцотипйо у аэробов и анаэробов.

Окисление органических веществ может быть полным и неполным. Большинство аэробных микроорганизмов могут вызывать как полное, так и неполное окисление органических веществ, анаэробные - только непол­ное. Полным окислением называется окисление углеводов до углекислого газа и воды, когда высвобождается вся энергия, заключенная в субстрате, например:

СбН12Об+ 602 Глюкоза? 6Н20+ 6С02 + 2822 кДж.

Такое количество выделенной тепловой энергии соответствует энергии, заключенной в 1 г/моль глюкозы. В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается полному окислению до СO2 и Н20, что происходит в результате ряда последовательных превращений, называемых в совокуп­ности циклом трикарбоновых и дикарбоновых кислот (цикл Кребса). Три- и дикарбоновые кислоты под действием соответствующих ферментов последовательно окисляются (дегидрогенируются изолимонная, aкетоглутаровая, янтарная, яблочная кислоты) и декарбоксилируются (от­щепляется С02 от ацетильного остатка щавелевоянтарной и акетоглутаровой кислот). Водород, отщепленный от окисляемых кислот посредством коферментов (НАД и НАД ° Ф) соответствующих дегидрогеназ, передает­ся через комплекс ферментов конечному акцептору - молекулярному кислороду по схеме.

В дыхательной цепи происходит освобождение энергии, которая накап­ливается в фосфатных связях путем синтеза АТФ из АДФ. Этот процесс носит название окислительного фосфорилирования. Промежуточные про­дукты цикла используются для синтеза клеточных веществ. Так, из пировиноградной кислоты образуется аланин, из а-кетоглутаровой — глутаминовая кислота, из фумаровой и щавелевоуксусной — аспарагиновая кислота. Ук­сусная кислота участвует в синтезе жирных кислот и стероидов.

Если при окислении углеводов наряду с водой образуются недокислен- ные продукты, такие, как органические кислоты (уксусная, лимонная, фумаровая, глюконовая и др.), обладающие запасом потенциальной энер­гии, то количество выделенной энергии будет значительно меньшим. Такое окисление называется неполным.

Типичным примером неполного окисле­ния является образование уксусной кислоты из спирта:

С2Н5ОН + 02 = СН3СООН + Н20 + 487 кДж.

Спирт            Уксусная  кислота

В этом случае выделилось всего лишь 487 кДж энергии, в то время как в окисляемом субстрате (спирте) количество энергии составляет 1360 кДж. Это значит, что часть энергии сохраняется в продукте неполно­го окисления — уксусной кислоте.

Микроорганизмы, развивающиеся за счет энергии неполного окисле­ния, используются в микробиологической промышленности для получения органических кислот, в том числе и аминокислот. Неполное окисление в анаэробных условиях называется брожением. Этот энергетический про­цесс может протекать также с одновременным окислением и восстановле­нием, когда часть сбраживаемого вещества окисляется, а часть — восста­навливается. При этом выделяется значительно меньше энергии, чем при окислении в аэробных условиях.

Примером такого типа получения энергии может служить спиртовое брожение:

С6Н12O6 = 2С2Н5ОН + 2С02 +118 КДЖ.

Глюкоза             Спирт

Потребность в энергии анаэробные микроорганизмы восполняют за счет сбраживания значительно большего количества углеводов, чем аэроб­ные. У анаэробных микроорганизмов первая стадия превращения глюкозы до пировиноградной кислоты протекает так же, как и у аэробных. Но за­тем пировиноградная кислота претерпевает различные изменения с образо­ванием разнообразных веществ в зависимости от вида анаэробного микроор­ганизма.

Пировиноградная кислота образуется также при расщеплении жиров и белков. Поэтому многие ана­эробные процессы превращения органических веществ являются причиной порчи рыбы, рыбопродуктов и вспомогательных материалов. Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях при окислении органических ве­ществ могут использовать неорганические акцепторы водорода, например нитраты, и тогда такой процесс называется нитратным дыханием, а если сульфаты — сульфатным дыханием.

Микроорганизмы весьма неполно используют энергию, получаемую в процессах дыхания и брожения. Только часть ее переводится в доступную для клетки форму (запасается в АТФ), значительное количество в виде тепла теряется, рассеиваясь во внешней среде. Выделением тепла при аэроб­ном дыхании объясняется явление самосогревания (термогенеза) зерна, круп, рыбной муки и др. У некоторых микроорганизмов наблюдается вы­деление неиспользованной энергии в виде световой. Такое явление называется биолюминесценцией. Способностью к биолюминесценции обладают факультативно-анаэробные морские бактерии, объединенные в род Photobactenum (светящиеся бактерии). В аэробных условиях они окисляют находящееся внутри клеток фотогенное вещество — люциферин под вли­янием фермента люциферазы и с излучением лунно-голубого света. Биолю­минесценция рассматривается как приспособление некоторых микроорга­низмов к защите от вредного действия кислорода, поэтому чем сильнее приток воздуха, тем ярче свет.

krendel