Тема 8. Энергетический обмен у микроорганизмов

 

Синтез, размножение, движение и другие процессы в клетке требуют затраты энергии. Источники энергии у микроорганизмов различны. У фототрофов - это свет. Световая энергия улавливается фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую. Источником энергии у хемотрофов является химическая энергия, получаемая в результате окисления кислородом воз­духа неорганических соединений (NH₃, H₂S и др.). Гетеротрофы получают энергию в процессах окисления органических соединений. Окисление органических веществ может происходить двумя путями:

1.Прямое, т. е. присоединение к веществу кислорода.

2.Непрямое, т. е. дегидрогенирование (отщепление водорода (электрона) и перенос его на другое вещество, которое при этом восстанавливается). Вещество, отдающее водород (электроны), называется донором, вещество, присоединяющее их - акцептором. Перенос водорода от донора к акцептору осуществляется различ­ными окислительно-восстановительными ферментами.

В зависимости от конечного акцептора водорода гетеротрофы делятся на аэробы и анаэробы. Аэробные - окисляют органические вещества с использованием молекулярного кислорода в качестве конечного акцептора. Анаэробные в энергети­ческих процессах не используют кислород. Конечными акцепторами водорода служат органические или неорганические соединения.

Аэробные микроорганизмы - грибы, ложные дрожжи, многие бактерии окисля­ют органические вещества полностью до С0₂ и Н₂О. Процесс этот называется аэроб­ным дыханием. Основным энергетическим материалом являются углеводы.

С₆Н₁₂0₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂0 + 2,87х10⁶ Дж (2872 кДж)

Сравнение характеризует процесс в суммарном виде - показаны лишь исходный и конечный продукты окисления. Однако процесс этот многоэтапный и протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продук­тов, обязательным продуктом при этом является пировиноградная кислота (пируват - СН₃СОСООН), Наиболее распространен гликолитический путь (путь ЭМП) расщеп­ления глюкозы. Он довольно универсален и свойствен многим видам аэробных и анаэробных микроорганизмов. Гликолитическое расщепление глюкозы до пирувата происходит без участия кислорода (анаэробная стадия). У аэробных микроорганиз­мов пируват в дальнейшем подвергается полному окислению до С0₂ и Н₂О, вступая в сложный цикл превращений (цикл Кребса) с образованием три- и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (отщепляется Н₂) и декарбоксилирующих-ся (отщепляется С0₂). Электроны водорода, отщепляемые в цикле Кребса посредст­вом коферментов дегидрогеназ, передаются по так называемой "дыхательной цепи" ферментов активированному цитохромоксидазой кислороду и соединяются с ним, в результате образуется вода. Некоторые аэробные гетеротрофы получают энергию за счет неполного окисления органических веществ. При этом в среде накапливают­ся промежуточные недоокисленные продукты, главным образом органические кислоты - уксусная, лимонная, глюкуроновая и другие.

Анаэробные микроорганизмы получают энергию в процессе брожения. Акцеп­тором водорода служат при этом органические вещества, промежуточные продукты расщепления органического субстрата.

Облигатные анаэробы (безусловные) (главным образом Clostndium), для кото­рых кислород не только не нужен, но и вреден.

Факультативные (условные), которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него (многие палочковидные бактерии, кокки, дрожжи). Во всех случаях происхо­дит превращение глюкозы до пировиноградной кислоты (гликолиз). Дальнейшие пре­вращения пирувата зависят от наличия тех или иных ферментов в клетках возбудите­лей различных типов брожения: спиртового, молочнокислого, маслянокислого и т. д.

В анаэробных условиях некоторые микроорганизмы могут при окислении
органических веществ использовать неорганические акцепторы водорода, которые
при этом восстанавливаются (нитраты, сульфаты). Нитраты, сульфаты легко отдают
кислород и восстанавливаются по следующей схеме

N0₃ -» NO₂ -» NO -» N₂0 –» N₂ (нитратное дыхание) _}, нитрат нитрит окись закись

S0₄ -» SO₃» S0₂ -» SO -» H₂S (сульфатное дыхание) сульфат сульфит двуокись окись сероводород

Нитратное дыхание или денитрификация в природе играет отрицательную роль, т к приводит к обеднению почв азотом. Процесс осуществляется в результате жиз­недеятельности разных видов Pseudomonas, Bacillus, в т. ч. термофильных бактерий, в условиях недостатка свободного доступа воздуха. Для борьбы с этим процессом рекомендуется рыхление почвы.

Сульфатное дыхание или десульфофикация (десульфатация) протекает в водо­емах (Черное море), на значительных глубинах, в болотистых почвах, в строго ана­эробных условиях (возбудители Vibrio desulfuncans и др.). Образующийся избыток H₂S приводит к замору рыбы, вызывает коррозию металлов и пр. Сероводородные грязи, водные источники используют в медицине.

Использование энергии микроорганизмами.

Освобождаемая в процессах дыхания и брожения свободная энергия не может быть непосредственно использована клеткой. Энергия должна быть преобразована в биологически полезную форму - химическую энергию макроэргических фосфат­ных связей, фосфороорганических соединений, главным из которых является АТФ. Только часть энергии окисления органических веществ резервируется в АТФ - отку­да ее получает клетка по мере надобности. АТФ - "аккумулятор" энергии клетки. Значительное количество энергии в виде тепла рассеивается в окружающей среде.

У аэробов в процессе дыхания при полном окислении одного моля глюкозы син­тезируется максимальное число молей АТФ (38 молей всего), т.е. резервируется 1,6х10⁶ Дж. Следовательно, аэробами с пользой расходуется около 50% энергии (от потенциального запаса 2,87х10⁶ Дж) и около 50% теряется в виде тепла (идут процессы самосогревания).

 

ТЕМА 9. ОСНОВНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,

ВЫЗЫВАЕМЫЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ, И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПРАКТИКЕ

Спиртовое брожение.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи-сахаромицеты. Спирто­вое брожение для дрожжей является способом получения энергии в анаэробных условиях. Химизм процесса в общих чертах заключается в том, что получающаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота при участии фермента пируватдекарбок-силазы декарбоксилируется (отщепляется С02) и образуется уксусный альдегид

2СН₃СОСООН -» 2СН₃СНО + 2С0₂

С02 является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Он при участии фермента ал-когольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД Н₂ регенерирует­ся (окисляется) в НАД.

2СН₃СНО + 2НАД Н₂ -» 2СН₃СН₂ОН + 2НАД

 

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт является завер­шающим этапом спиртового брожения.

Наряду с основным продуктом (этиловым спиртом) в небольшом количестве образуются побочные продукты - глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла (смесь высокомолекулярных спиртов) и др. Глицерин образуется в начальном пери­оде брожения, когда еще нет уксусного альдегида, но образовавшийся фосфоглицериновый альдегид восстанавливается в фосфоглицерин, а затем превращается в глицерин. По мере накопления уксусного альдегида он становится конечным акцеп­тором и восстанавливается в этиловый спирт. Если в процессе брожения ввести в среду бисульфит (или сульфит) натрия, связывающий уксусный альдегид, то можно увеличить выход глицерина.

2С₆Н₁₂0₆ + Н₂0 = 2С₃Н₅(ОН)₃ + С₂Н₅ОН + СН₃СООН + 2СО₂

Общие условия спиртового брожения.

Концентрация сахара-10-15%.

Наличие азотистого питания (аммонийные соли, аминокислоты и др.). рН 4-5. В щелочной среде повышается выход глицерина, t = 28-30°С.

Верховые дрожжи - ведут процесс при t = 25-28°C. Образуется пена, дрожжи вы­носятся наверх, а в конце оседают на дно (производство спирта, хлебопечение).

Низовые дрожжи - ведут процесс при t = 5-10°С, пена незначительная, дрожжи оседают на дно в процессе брожения (пивоварение, виноделие).

В производстве спирта используют спиртоустойчивые расы дрожжей (до 18-20% спирта). В хлебопечении используют прессованные, сухие, а также жидкие дрожжи. Хлебопекарные дрожжи должны обладать мальтазной активностью и образовывать большое количество С0₂.

В производстве этилового спирта для пищевых целей используют крахмалистое сырье (картофель, зерно, отходы крахмало-паточного и сахарного производства -меласса, сахарная свекла). Из крахмалсодержащего сырья путем разваривания готовят затор, который подвергают осахариванию. Источником осахаривающих ферментов (амилаз) служат ячменный солод или грибная амилаза, полученная из грибов рода Aspergillus.

В зерновом и грибном солоде кроме амилаз содержатся протеолитические фер­менты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотосо-держащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат - сусло.

Для получения технического спирта используют гидролизаты древесины и другие отходы целлюлозно-бумажной промышленности. В настоящее время техни­ческий спирт получают также синтетическим путем - из побочных продуктов перера­ботки нефти (этилена).

В производстве пива основным сырьем является ячменный солод. Из солода, воды и хмеля готовят пивное сусло, сусло подвергают брожению специальными видами (расами) пивных дрожжей. Это хлопьевидные дрожжи низового брожения.

В производстве вин исходным материалом служит виноградный и плодово-ягод­ные соки. Соки сульфитируют (обрабатывают SO₂), а затем подвергают брожению. Применяются специальные расы дрожжей для получения разных сортов вин.

Молочнокислое брожение.

Это есть превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты. По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.

Гомоферментативные бактерии.

Streptococcus lactis - мезофилы (t= 30-35°C). Образуют до 1% кислоты, минимальная t=10°C. Максимальная - 40°С. Бактерии соединены попарно или пред­ставляют короткие палочки.

Streptococcus cremoris (сливочный стрептококк). Максимальная t=36-38°C, ми­нимальная - 10°С, оптимальная - 25°С.

Lactobaclilus acidophilus (ацидофильная палочка). Оптимальная t= 37-40°C, ми­нимальная - 20°С, образуют до 2,2% кислоты. Обеспечивает тягучесть продуктов.

Lactobacillus buigaricus - крупные палочки, образующие длинные цепочки. Не сбраживают сахарозу. Оптимальная t= 40-45°C, минимальная t= 15-20°C, образуют 2,5-3,5% кислоты. Эти бактерии содержатся в продуктах: айран, йогурт и т. д.

Lactobacillus delbrueckii (зерновая термофильная палочка). Не сбраживает лак­тозу, в молоке не развивается. Оптимальная t= 45-50°C, минимальная t = 20°C, образует до 2,5% кислоты. Применяются в производстве молочной кисло­ты из зерновых отходов, в хлебопечении.

Lactobacillus plantarum. (Молочнокислая палочка). Встречаются попарно или в виде цепочки. Оптимальная t = 30°C, образует до 1,3% кислоты. Основной возбудитель брожения при квашении овощей, плодов и силосовании кормов.

При гомоферментативном процессе образуется при сбраживании Сахаров до 85-90% молочной кислоты, почти нет побочных продуктов

С₆Н₁₂0₆ = 2СН₃СНОНСООН + О

Химизм заключается в том, что образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается до молочной кислоты, почти нет побочных продуктов.

 

СНзСОСООН + НАДН₂ СНзСНОНСО+ Q

Гетероферментативные бактерии.

Lactobacillus brevis (капустная палочка), оптимальная t = 20-25°С. При сбражи­вании Сахаров образует, кроме молочной, уксусную кислоту, этиловый спирт, С0₂. Химизм при гетероферментативном процессе определяется своеобразием комплек­са ферментов, отличающегося от группы гомоферментативных бактерий. При отсут­ствии у них фермента альдолазы в начальной стадии превращений глюкозы после фосфорилирования гексоза окисляется (отщепляется водород), декарбокси-лируется (отщепляется С0₂). Фосфоглицериновый альдегид превращается в пиро-виноградную кислоту, как у гомоферментативных бактерий, которая затем превра­щается в молочную кислоту. Ацетилфосфат дефосфорилируется и превращается в уксусную кислоту или восстанавливается (через уксусный альдегид) в этиловый спирт (пентозофосфатный путь).

Leuconostoc mesentenoides, Bifidobacterium - целая группа кишечных бактерий, образующих молочную кислоту и другие вещества при сбраживании разных Сахаров.

 

Маслянокислое брожение.

Это сложный процесс превращения Сахаров в анаэробных условиях в масляную кислоту.

С₆Н₁₂0₆ = СН₃СН₂СН₂СООН + 2С0₂ + 2Н₂ +Q

Кроме основных продуктов при брожении образуются побочные продукты ацетон, этиловый, бутиловый спирты, уксусная кислота.

Химизм маслянокислого брожения - это гликолиз до стадии образования пиро-виноградной кислоты. Пировиноградная кислота расщепляется до ацетилкоэнзима А (СН₃СОКоА), СО₂ и Н₂. Две молекулы коэнзима конденсируются и через ряд превращений образуется масляная кислота.

Возбудители Clostndium butyncum - строгие анаэробы Способны сбраживать не только сахара, но и расщепляют крахмал, пектиновые вещества и т. д. Они широко распространены в природе - почве, на дне водоемов (в иле), в навозе, а также на плодоовощном сырье и в пищевых продуктах. В народном хозяйстве приносят значительный ущерб, вызывая порчу консервов (бомбаж), прогоркание молока, молочных продуктов, низкокислотных консервированных плодоовощных продуктов - компотов, соков, вспучивание сыров и т д

Пропионовокислое брожение.

Propiombacterium - Грам+, неподвижные, спор не образуют, форма палочковид­ная, встречаются раздвоенные, изогнутые и даже слегка разветвленные структуры. Микроаэрофилы. Сбраживают сахара, спирты, кислоты.

ЗС₆Н₁₂0₆ = 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + 2С0₂ + 2Н₂О 2СН₃СНОНСООН = 2СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + С0₂ + Н₂0

Участвуют в созревании сыров, присутствуют в пищевом тракте животных, обра­зуют витамин В₁₂.

 

9.4 Разложение пектиновых веществ микроорганизмами.

Пектиновые вещества представляют собой полисахариды трех типов протопектин - водонерастворимая составная часть клеточной стенки, пектин - водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащий мети-лэфирные связи, пектиновая кислота - водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей.

Пектиновые вещества содержатся в мякоти и кожице плодов, ягод. При кипяче­нии образуют желе (после застывания). Бактерии и грибы могут разлагать пектино­вые вещества в аэробных и анаэробных условиях. Аэробные - Bacillus (Вас. macer-ans, Вас. polymyxa), а также многие грибы. Анаэробные - Clostndium (Cl. pectmovo-rum, Cl. felsmeum). Пектины разрушаются и под влиянием фитопатогенных грибов и бактерий, которые проникают в ткани плодов, овощей и вызывают болезни типа гнилей. Микроорганизмы синтезируют три группы экзоферментов, катализирующих распад пектиновых веществ.

Протопектиназа катализирует разложение протопектина до пектина.

Пектинэстераза гидролизует метилэфирную связь пектина с образованием пектиновой кислоты и метилового спирта.

Пектиназа - разрушает связи между моносахаридными остатками галактуроно-вой кислоты, пектина или пектиновой кислоты. Распад пектиновой кислоты может быть выражен следующей схемой:

 

С₄₆Н₆₈0₄₀ + пН₂0 = СНО(СНОН)4СООН + С₆Н₁₂О₆ + С₅Н₁₀0₅ + С₅Н₁₀О₅ + СН₃ОН + СН₃СООН пектиновая к-та галактуроновая к-та галактоза ксилоза арабиноза метанол уксусная к-та

Продукты распада пектиновой кислоты (сахара) окисляются или сбраживаются
разнообразной микрофлорой. В анаэробных условиях - это маслянокислое броже­ние. Пектиновое брожение используется при мочке волокнистых растений (лен, конопля, кенаф и т. д.). Разложение пектиновых веществ в аэробных условиях – это "гнили" плодов и овощей. Размягчение консервированных огурцов вызывают возбу­дители Bacillus.

 

9.5 Разложение целлюлозы микроорганизмами.

В состав целлюлозы (клетчатки) входит более 50% всего органического углеро­да биосферы. Целлюлоза - наиболее распространенный полисахарид растительно­го мира; высшие растения на 15-50% состоят из целлюлозы.

Целлюлоза - полисахарид, молекула которого состоит из остатков глюкозы. Полисахаридные цепи объединяются в пучки, покрытые общей оболочкой, они составляют целлюлозные волокна. Это достаточно стойкое органическое соедине­ние, но в природе оно достаточно интенсивно разрушается широко распространен­ными микроорганизмами в разных условиях доступа воздуха, t, pH, влажности и т.д. В аэробных условиях: Cytophaga - миксобактерии, актиномицеты. Грибы - Fusanum, Trichoderma, Botrytis и др. В анаэробных условиях: Clostndilim omelianskn (t = 30-40°С), Cl. thermocellum (термофил, t = 60-70°C).

Целлюлоза - целлобиоза – глюкоза

↓ ↑

целлюлаза (В-глюкозидаза).

(С₅Н₁₀0₅) n + Н₂0 -» n С12Н₂₂О ₁₁+ nС₆Н₁₂0₆ -» С0₂ + Н₂О

целлюлоза целлобиоза глюкоза

При аэробных условиях глюкоза окисляется до СО₂ и Н₂0. При анаэробных - она превращается в этиловый спирт, уксусную, молочную, муравьиную кислоты, угле­кислый газ, водород.

Аэробное разложение клетчатки и пектиновых веществ широко распространено в природе и имеет огромное значение в процессах минерализации растительных остатков. В практике может приносить большой вред, разрушая древесину, бумагу, хлопковое волокно и т. п.

Гемицеллюлозы наряду с пектинами входят в состав межклеточного вещества растений. В значительных количествах они содержатся в древесине, соломе, куку­рузных початках и т. п. Эти гетерополисахариды состоят из пентоз (ксилозы, араби-нозы) или гексоз (глюкозы, маннозы, галактозы) и называются пентозаны (ксилан или арабан), маннаны и т.д. Эти вещества активно разлагаются грибами, аэробными и анаэробными бактериями. Ферменты, разлагающие их, - гемицеллюлазы.

Древесина содержит от 15 до 30% лигнина в расчете на сухое вещество. Лигнин содержится в растениях разных видов, особенно много его в древесине, он пред­ставляет собой полимер фенольной природы. При окислении лигнин расщепляется с образованием альдегидов. Очень устойчивое соединение, разлагается медленнее целлюлозы, в основном грибами базидиомицетами.