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

Катаболизм — это ферментативное расщепление сложных органичеих 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 суость обмена веществ — метаболизма.

Микроорганизмы обладают исключительным разнообразием процессов обмена веществ в зависимости от способов получения энергии и потребноей 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 болинстве 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 обуслоивается деятельностью ферментов. Ферменты являются биологическими катализаторами, т. е. активаторами и ускорителями биохимических реаий 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 процеам, которые они катализируют. Так, ферменты, катализрующие отнятие водорода от субстрата (дегидрогенирование), называют дегидрогеназами.

Катаболизм (распад питателых 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 самооятельному существованию. Так, коферменты дегидрогеназ НикотинАмидаденинДинуклеотид (НАД) и ФлавинАденинДинуклеотид (ФАД) катализируют окисление различных субстратов путем отнятия водорода. Примери коферментов являются большинство витаминов (Е, Вь В2, В12 и др.) или их производные.

Простетическая группа прочно связана с белковой частью и не отделтся 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 детвия: один и тот же фермент действует лишь на определенное вещество.

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

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

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 приоставливается.

На активность ферментов оказывает влияние и рН среды. Так, у баерий, растущих в кислой среде, максимум активности ферментов наблается 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 химеских веществ. Одни из них повышают активность ферментов (активаты) , а другие снижают (ингибиторы). Активаторами могут быть некотые органические вещества (витамины), а также соли, например хлориый 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 иользовании.

На скорость ферментативных процессов оказывает влияние и концерация 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 аивном состоянии; в результате их действия происходит самопереваривие, или автолиз клеток. При разрушении клеток ферменты поступают в окружающую среду.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. По типу катализуемой 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) катизируют окислительно-восстановительные реакции процессов обмена веств микроорганизмов. В результате их деятельности происходит окиение органических веществ с выделением энергии. К этой группе оосятся 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 вотановленной анаэробной дегидрогеназы, кислороду воздуха непосретвенно или через промежуточных переносчиков. Аэробные дегидрогеназы, передающие водород субстрата непосредственно кислороду, называются оксидазами. К оксидазам относится полифенолоксидаза, катализирующая реакцию окисления полифенолов с образованием темноокрашенных соедений меланинов. Этот фермент есть у многих плесневых грибов.

Наличием полифенолоксидазы обусловлено потемнение на воздухе поверхности сров 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 сиему промежуточных ферментов - переносчиков. В таких случаях водород многократно переносится от одного вещества к другому, пока не достиет своего конечного акцептора - кислорода. Кислород подвергнет восстовлению 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, катализируий 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 соедений в присутствии воды. Гидролазы подразделяют на подгруппы в завимости от веществ, на которые они действуют. Так, карбогидразы - феенты, катализирующие гидролиз и синтез гликозидов, ди-, три- и полисаридов и действующие на олигосахариды, называют олигазами, а на полахариды — 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 находяя в органах растений в качестве межклеточного вещества и входят в состав клеточных оболочек. Протеазы (протеолитические ферменты) катализуют гидролиз белков, пептидов. Протеиназы гидролизуют непосредствео белки с образованием пептидов. Пептидазы гидролизуют полипептиды и дипептиды до аминокислот. Каждая из протеаз разрывает пептидные связи между определенными аминокислотами. Дезаминазы и амидазы катализуют гидролиз аминокислот и амидов с отщеплением азота в виде аммиака. Аспарагиназа и глутаминаза играют важную роль в азотном обмене микррганизмов.

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 подразделтся 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 образовием уксусного альдегида. Декарбоксилированию подвергаются аминислоты с образованием аминов:

RCHNH2COOH декарбоксилаза RCH2NH2+ С02.

Эти ферменты характерны особенно для гнилостных микроорганизмов.

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

Лигазы катализируют процесс соединения двух молекул при одновренном 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, ацидилин, кумыс и пр.), в виноделии, пивоварении, в изготовлении ферменых препаратов. В рыбообрабатывающем производстве используются баериальные протеиназы как размягчители — тендеризаторы жесткого мяса некоторых морских рыб.

Химический состав микроорганизмов. Клетки микроорганизмов содеат 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 компент в химических реакциях, служит растворителем различных органичеих 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 дрие 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 накаплаться 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 реаий.

Питание микроорганизмов. Вещества, в которых нуждаются микроорганизмы и которые потребляются ими из окружающей среды, получили название питательных, а среды, содержащие их — питательных сред. Для каого 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 скостью потребления питательных веществ. В результате исследований устовлено, что бактериальная клетка за сутки потребляет "пищи" в 20 раз больше массы своего тела. Это свидетельствует о повышенном обмене веств у микроорганизмов.

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

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

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

Гетеротрофные микроорганизмы чаще всего в кестве источника углерода используют органические соединения независимо от их структуры, физико-химических свойств или реакционной способнои. 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. Некорые 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 элентом для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других азотсодержих веществ является азот.

По типу усвоения азота микроорганизмы делятся на аминоавтотрофные, синтезирующие белок из минеральных и простейших сдинений и даже молекулярного азота (нитрифицирующие, азотусваивающие бактерии), и аминогетеротрофные, использующие сложные органические соединения азота - готовые аминокислоты. Наиболее раространенным 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 болинство 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 миоэлементы. Однако при отсутствии одного из них нормальное развитие клеток микроорганизмов нарушается. Помимо углеродистых, азотистых соединений, зольных элементов, микроорганизмам в минимальных колествах 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 стимулятами 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 меу клеткой и питательной средой. Поступление веществ в клетку регулуется цитоплазматической мембраной, которая является основным осмическим 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 болего 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 преущественно вода. В этом случае цитоплазма клетки находится в набуем состоянии и плотно прижата к клеточной стенке. Постоянное упругое напряжение клеточного содержимого называется тургором.

Повышение концентрации питательных веществ (добавление повенной соли или сахара) в питательной среде приводит к обезвоживанию клетки. В этом случае цитоплазма сокращается и отходит от оболочки. Тое явление называется плазмолизом. Если концентрация раствора значельно ниже концентрации содержимого клетки (например, дистиллироваая вода), наступает процесс, обратный плазмолизу, плазмоптиз. Содеимое 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 микррганизмов микробиологи не должны пользоваться дистиллированной водой при разведении культур микроорганизмов, при смывах с повености исследуемых объектов.

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

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

Необходимым условием поступления веществ в клетку является их растворимость в воде или липидах. Клетка микроорганизмов можёт поеблять 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 микррганизмы при помощи экзоферментов производят предварительный гиолиз их до более простых и растворимых соединений прежде, чем исполуют для питания.

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

Поступление минеральных солей в клетку зависит от степени диссоцции 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, поступлие питательных веществ в клетки микроорганизмов — процесс сложный и зависит от проницаемости. клеточной стенки и от транспортных манизмов.

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

У микроорганизмов поступление энергии осуществляется либо при иользовании энергии видимого света, либо окислении органических и минальных 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 оанических соединений - углеводов, липидов, аминокислот и др. В клетке эти вещества подвергаются окислению через ряд последовательных фермеативных реакций. В основе их лежит перенос электронов (е -). Отдача электрона ведет к окислению, присоединение - к восстановлению.

Окисление веществ может происходить дегидрогенированием (отнием водорода). Так как атом водорода состоит из протона (Н +) и электра (е -), то перенос водорода с одного вещества на другое включает и перос 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 аэроыми, а без участия кислорода — анаэробными.

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

Энергия, освобождаемая при окислении органических веществ, исполуется 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 восстанавлает. Поэтому АТФ называют "разменной монетой" энергетического оена. 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 выдяется 12 тыс. кДж/моль.

Для большинства гетеротрофов основным источником энергии явлтся углеводы, главным образом глюкоза. Расщепление углеводов микррганизмами осуществляется разными способами. При этом обязательным промежуточным продуктом является пировиноградная кислота (пируват). Наиболее характерным для аэробных и анаэробных микроорганизмов яяется гликолитический способ расщепления глюкозы. Последовательное расщепление глюкозы до нировиноградной кислоты гликолитическим спобом 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 молекы 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. Освобождия 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 феентом 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 накаиваться.

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

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

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

Происходит перестройка молекулы. Освобождения энергии не прсходит.

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 непоое. 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 совокуости 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 (оепляется С02 от ацетильного остатка щавелевоянтарной и акетоглутаровой кислот). Водород, отщепленный от окисляемых кислот посредством коферментов (НАД и НАД ° Ф) соответствующих дегидрогеназ, передаея через комплекс ферментов конечному акцептору - молекулярному кислороду по схеме.

В дыхательной цепи происходит освобождение энергии, которая накаивается в фосфатных связях путем синтеза АТФ из АДФ. Этот процесс носит название окислительного фосфорилирования. Промежуточные прукты цикла используются для синтеза клеточных веществ. Так, из пировиноградной кислоты образуется аланин, из а-кетоглутаровой — глутаминовая кислота, из фумаровой и щавелевоуксусной — аспарагиновая кислота. Уусная 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 энеии, то количество выделенной энергии будет значительно меньшим. Такое окисление называется неполным.

Типичным примером неполного окислия 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 неполно окисления — уксусной кислоте.

Микроорганизмы, развивающиеся за счет энергии неполного окислия, используются в микробиологической промышленности для получения органических кислот, в том числе и аминокислот. Неполное окисление в анаэробных условиях называется брожением. Этот энергетический пресс может протекать также с одновременным окислением и восстановлием, когда часть сбраживаемого вещества окисляется, а часть — восставливается. 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 аэроые. У анаэробных микроорганизмов первая стадия превращения глюкозы до пировиноградной кислоты протекает так же, как и у аэробных. Но зем пировиноградная кислота претерпевает различные изменения с образанием разнообразных веществ в зависимости от вида анаэробного микрооанизма.

Пировиноградная кислота образуется также при расщеплении жиров и белков. Поэтому многие анробные процессы превращения органических веществ являются причиной порчи рыбы, рыбопродуктов и вспомогательных материалов. Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях при окислении органических веств 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 аэроом дыхании объясняется явление самосогревания (термогенеза) зерна, круп, рыбной муки и др. У некоторых микроорганизмов наблюдается веление 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 влнием фермента люциферазы и с излучением лунно-голубого света. Биолинесценция рассматривается как приспособление некоторых микрооргизмов к защите от вредного действия кислорода, поэтому чем сильнее приток воздуха, тем ярче свет.