Механизмы дыхания бактерий. Как дышат бактерии? Аэробы и анаэробы. Особенности дыхания прокариот. Дыхание микробов

Практически все живые организмы на Земле нуждаются в процессе дыхания. Кислород является одним из наиболее распространенных окислителей в дыхательной цепи животных, растений, протистов, многих бактерий. Однако не всем известно, насколько наш организм отличается по сложности строения от маленьких клеток микроорганизмов. Возникает вопрос: как дышат бактерии? Отличается ли их способ получения энергии от нашего?

Все ли бактерии дышат кислородом?

Не все знают, что кислород не всегда является обязательным компонентом в Он играет, прежде всего, роль акцептора электронов, поэтому данный газ хорошо окисляется и взаимодействует с протонами водорода. АТФ - это та причина, по которой все живые организмы дышат. Однако многие виды бактерий обходятся без кислорода, и все равно получают такой заветный источник энергии, как аденозинтрифосфат. Как дышат бактерии такого типа?

Процесс дыхания в нашем организме протекает на протяжении двух стадий. Первая из них - анаэробная - не требует наличия кислорода в клетке, и для нее необходимы только источники углерода и акцепторы протонов водорода. Вторая стадия - аэробная - протекает исключительно в присутствии кислорода и характеризуется большим количеством поэтапных реакций.

У бактерий, которые не усваивают кислород и не используют его для дыхания, протекает только анаэробная стадия. По ее окончанию микроорганизмы также получают АТФ, однако его количество очень сильно отличается от того, которое получаем мы после прохождения сразу двух стадий дыхания. Получается, что не все бактерии дышат кислородом.

АТФ - универсальный источник энергии

Для любого организма важно поддерживать свою жизнедеятельность. Поэтому нужно было в процессе эволюции найти источники энергии, которые при использовании смогут дать достаточно ресурсов для протекания всех необходимых реакций в клетке. Сначала появилось брожение у бактерий: так называется этап гликолиза или анаэробный этап дыхания прокариот. И только потом у более совершенных многоклеточных организмов развились приспособления, благодаря которым, с участием атмосферного кислорода КПД дыхания заметно увеличивалось. Так появился аэробный этап

Как дышат бактерии? 6 класс школьного курса биологии показывает, что для любого организма важно получение определенной доли энергии. В процессе эволюции она стала запасаться в специально синтезированных для этого молекулах, которые называются аденозинтрифосфат.

АТФ представляет собой макроэргическое вещество, основой которого является пентозное углеродное кольцо, азотистое основание (аденозин). От него отходят фосфорные остатки, между которыми и образуются высокоэнергетические связи. При разрушении одной из них высвобождается в среднем около 40 кДж, а одна молекула АТФ способна хранить в себе максимум три фосфорных остатка. Так, если АТФ распадается до АДФ (аденозиддифосфат), то клетка получает 40 кДж энергии в процессе дефосфорилирования. И, наоборот, запасание происходит путем фосфорилирования АДФ до АТФ с затратой энергии.

Гликолиз дает 2 молекулы аденозинтрифосфата, когда аэробный этап дыхания по завершению может снабдить клетку сразу 36 молекулами этого вещества. Поэтому на вопрос «Как дышат бактерии?» ответ можно дать следующий: процесс дыхания для многих прокариот заключается в образовании АТФ без наличия и затраты кислорода.

Как дышат бактерии? Типы дыхания

По отношению к кислороду все прокариоты делятся на несколько групп. Среди них:

1. Облигатные анаэробы.
2. Факультативные анаэробы.
3. Облигатные аэробы.

Первая группа состоит только из тех бактерий, которые не могут жить в условиях доступа кислорода. О2 для них токсичен и ведет к гибели клетки. Примерами таких бактерий могут служить чисто симбиотические прокариоты, которые проживают внутри другого организма в условиях отсутствия кислорода.

Как дышат бактерии третьей группы? Эти прокариоты отличаются тем, что они могут жить только в условиях хорошей аэролизации. Если недостаточно кислорода в воздухе, такие клетки быстро погибают, поскольку для дыхания им жизненно необходим О2.

Чем брожение отличается от кислородного дыхания?

Брожение у бактерий - это тот же самый процесс гликолиза, который у разных видов прокариот может давать различные продукты реакции. Например, приводит к образованию побочного продукта молочной кислоты, спиртовое брожение - этанола и углекислого газа, масляно-кислое - масляной (бутановой) кислоты и т. д.

Кислородное дыхание - это полная цепь процессов, которые начинаются с этапа гликолиза с образованием и заканчиваются выделением СО2, Н2О и энергии. Последние реакции проходят в условиях присутствия кислорода.

Как дышат бактерии? Биология (6 класс) школьного курса микробиологии

В школе нам давали лишь простейшие знания о том, как происходит процесс дыхания прокариот. Митохондрий у этих микроорганизмов нет, однако, есть мезосомы - выпячивания цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Но эти структуры играют не самую ключевую роль в дыхании бактерий.

Поскольку брожение - это разновидность гликолиза, то оно протекает в цитоплазме прокариот. Там же находятся многочисленные ферменты, необходимые для проведения всей цепочки реакций. У всех бактерий без исключения сначала образуются две молекулы пировиноградной кислоты, как у человека. И только потом они превращаются в другие побочные продукты, которые зависят от типа брожения.

Заключение

Мир прокариот, несмотря на видимую простоту клеточной организации, полон сложных и порой необъяснимых моментов. Теперь есть ответ, как дышат бактерии на самом деле, ведь не всем из них необходим кислород. Напротив, большинство приспособилось использовать другой, менее практичный способ получения энергии - брожение.

Дыхание микроорганизмов

Описанные выше процессы ассимиляции пищи протекают с затратой энергии. Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду.

Схематично реакцию окисления-восстановления при участии фермента дегидрогеназы можно представить следующим образом:

АН 2 + В - А + ВН 2 + энергия

Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны.

В 1861 г. французский ученый Л.Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода, в то время как все высшие организмы - растения и животные - могут жить только в атмосфере, содержащей кислород.

По этому признаку (по типам дыхания) Л.Пастер разделил микроорганизмы на две группы - аэробы и анаэробы.

Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + 2822 кДж.

Анаэробы - это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями . Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислые брожения. Рассмотрим на примере спиртового брожения:

С 6 Н 12 О 6 = 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 118 кДж.

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных, или строгих, анаэробов. К ним относятся возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма. Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют - факультативными, или условными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей и др.

Ферменты микроорганизмов

Ферменты - вещества, способные каталитически влиять на скорость биохимических реакций. Они играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Открыты ферменты в 1814 г. русским академиком К.С.Кирхгофом.

Как и другие катализаторы, ферменты в реакциях превращения веществ принимают участие лишь в качестве посредников. Количественно в реакциях они не расходуются. Ферменты микроорганизмов обладают целым рядом свойств:

1) При температуре до 40-50єС увеличивается скорость ферментативной реакции, но затем скорость падает, фермент перестает действовать. При температуре выше 80°С практически все ферменты необратимо инактивируются.

2) По химической природе ферменты бывают однокомпонентными, состоящими только из белка, и двухкомпонентными, состоящими из белковой и небелковой частей. Небелковая часть у ряда ферментов представлена тем или иным витамином.

3) На активность фермента оказывает большое влияние рН среды. Для одних ферментов наилучшей является кислая среда, для других - нейтральная или слабощелочная.

4) Ферменты обладают высокой активностью. Так, молекула каталазы разрушает в минуту 5 млн молекул пероксида водорода, а 1 г амилазы при благоприятных условиях превращает в сахар 1 т крахмала.

5) Каждый фермент обладает строгой специфичностью действия, т. е. способностью влиять только на определенные связи в сложных молекулах или лишь на определенные вещества. Например, амилаза вызывает расщепление только крахмала, лактаза - молочного сахара, целлюлаза - целлюлозы и т. д.

6) Ферменты, присущие данному микроорганизму и входящие в число компонентов его клетки, называются конститутивными . Существует и другая группа - ферменты индуцируемые (адаптивные), которые вырабатываются клеткой только при добавлении к среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент, которым, он не обладал.

7) По характеру действия ферменты подразделяются на экзоферменты , которые выделяются клеткой во внешнюю среду, и эндоферменты , которые прочно связаны с внутренними структурами клетки и действуют внутри нее.

8) Хотя ферменты вырабатываются клеткой, но и после ее смерти они временно еще остаются в активном состоянии и может произойти автолиз (от греч. аutos - сам, lysis - растворение) - саморастворение или самопереваривание клетки под влиянием ее собственных внутриклеточных ферментов.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. Ферменты делятся на 6 классов:

1-й класс - оксидоредуктазы - играют большую роль в процессах брожения и дыхания микроорганизмов, т. е. в энергетическом обмене.

2-й класс - трансферазы (ферменты переноса) катализируют реакции переноса групп атомов от одного соединения к другому.

3-й класс - гидролазы (гидролитические ферменты). Они катализируют реакции расщепления сложных соединений (белки, жиры и углеводы) с обязательным участием воды.

4-й класс - лиазы включают двухкомпонентные ферменты, отщепляющие от субстратов определенные группы (СО 2 , Н 2 О, NН з и т. д.) негидролитическим путем (без участия, воды).

5-й класс - изомеразы - это ферменты,.катализирующие обратимые превращения органических соединений в их изомеры.

6-й класс - лигазы (синтетазы) - это ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из более простых. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Применение ферментов микробов в пищевой и легкой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Препараты амилолитических ферментов применяют при производстве этилового спирта из крахмалосодержащего сырья вместо зернового солода, а в хлебопекарной промышленности взамен солода при приготовлении заварного ржаного хлеба; добавляют грибные амилазы и в пшеничное тесто. Поскольку в этом препарате помимо амилазы имеются, хотя и в небольшом количестве, другие ферменты (мальтаза, протеазы), процесс изготовления теста ускоряется, увеличиваются объем и пористость хлеба, улучшаются его внешний вид, аромат и вкус. Применение этих ферментных препаратов в пивоварении позволяет частично заменить солод ячменем. С помощью грибной глюкоамилазы получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала. Пектолитические ферментные грибные препараты используют в соко-морсовом производстве и виноделии. В результате разрушения пектина этими ферментами ускоряется процесс выделения сока, повышается его выход, фильтрация и осветление. Ферментные препараты, содержащие микробные протеазы, используют для повышения стойкости (предохранения от белкового помутнения) вина и пива, а в сыроделии - взамен (частично) сычужного фермента. Целесообразно применять микробные протеазы для размягчения мяса, ускорения созревания мяса и сельди, получения из отходов рыбной и мясной промышленности пищевых гидролизатов и для других технологических процессов переработки животного и растительного сырья.

Химический состав микроорганизмов

По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от клеток животных и растений. В них содержится 75-85% воды, остальные 16-25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свободном и в связанном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки (белки, полисахариды и др.) и с трудом высвобождается из них. Свободная вода участвует в химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена веществ.

Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ.

белки - до 52%,

полисахариды - до 17%,

нуклеиновые кислоты (РНК до 16%, ДНК до 3%),

липиды - до 9%

Эти соединения входят в состав различных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции. В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества - органические кислоты, их соли, пигменты, витамины и др.

Контрольные вопросы

1. Что такое тургор?

2. Что такое диссимиляция?

3. Какие микроорганизмы называются автотрофными?

4. Что такое осмос?

5. Какие микроорганизмы называются факультативными?

6. Что такое плазмолиз?

7. в каких процессах участвуют липазы?

8. Какое количество воды входит в состав микроорганизмов?

10. Какие микроорганизмы называются анаэробными?

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Дыхание бактерий
Рубрика (тематическая категория)	Культура

Дыхание (биологическое окисление, катаболизм, диссимиляция) – совокупность биохимических процессов, сопровождающихся образованием энергии, крайне важно й для жизнеобеспечения клетки.Приаэробном типе дыхания бактерии используют энергию в результате окисления веществ кислородом воздуха и способны развиваться только при наличии кислорода. При анаэробном типе дыхания микроорганизмы могут развиваться при отсутствии кислорода, получая энергию в результате ферментативного расщепления органических веществ. Существуют также факультативные анаэробы , растущие как при наличии, так и при отсутствии кислорода. Определяют тип дыхания микроорганизмов посœевом культуры бактерий уколом в высокий столбик агара. При этом аэробы вырастают в верхней части среды, факультативные анаэробы – по всœей длинœе укола, анаэробы – в нижней части посœева.

У прокариотов возможны три пути получения энергии, которые различаются по выходу энергии (табл. 4):

1. Фотосинтез (фотосинтетическое фосфорилирование), в котором принимают участие энергия фотонов, хлорофилл или его аналоги – пигменты. Фотосинтез описан у очень небольшой группы микробов (цианобактерии или синœе-зелёные водоросли), содержащих пигменты, сходные с хлорофиллом.

2. Дыхание (окислительное фосфорилирование) – окислительно-восстановительный процесс переноса взаимодействия субстрата со свободным кислородом и ферментами дыхательной цепи, цепь реакций биологического окисления. Большинство бактерий, называемых скотобактериями, получают энергию путем химических реакций.

Суть окисления состоит в присоединœении кислорода или в отнятии водорода от субстрата͵ благодаря чему происходит расщепление вещества и разрушение химических связей. Энергия этих связей выделяется в окружающую среду и почти на 70% улавливается клеткой в виде биологической энергии, в виде образования высокоэнергетических соединœений, главными из которых у прокариот является АТФ (аденозинтрифосфат), УДФ (уридиндифосфат), ферментные комплексы НАДФ (никотинадениндиноклеотидфосфат) и ФАДФ (флавинаденин-динуклеотидфосфат), пирофосфат и волютин (орто- и метафосфаты).

Одним из базовых путей реализации энергии, содержащейся в фосфорных связях органических соединœений, является фосфорилирование - способность передавать фосфатный остаток другим веществам, что делает эти соединœения нестабильными, приводя к их распаду с выделœением энергии. Все процессы дыхания происходят на ЦПМ прокариот иначинаются с гликолиза, в результате которого образуется пировиноградная кислота (пируват - ПВК), которая является исходным материалом для дальнейших катаболических реакций.

По типу дыхания бактерии делятся на:

· облигатные аэробы (к примеру, нейссерии, синœегнойная палочка)растут только при наличии кислорода;

· облигатные анаэробы могут расти только без кислорода (пептострептококки, вейллонеллы, бактероиды фузобактерии, анаэробоспириллы);

· факультативные аэробы и анаэробы могут существовать как в присутствии кислорода, так и без него;

· аэротолерантные микробы (к примеру спорообразующие анаэробные палочки -клостридии газовой гангрены, столбняка). - это анаэробные бактерии, устойчивые к кислороду, которые не размножаются в присутствии кислорода, но и не погибают;

· микроаэрофилы (стрептококки, актиномицеты и некоторые бациллы полости рта)представляют из себянебольшую группу факультативно-анаэробных бактерий, устойчивых к действию кислорода в небольших концентрациях (до 5-10%);

· капнофилы (возбудители бруцеллеза, стрептококки полости рта)нуждаются в избыточном количестве углекислого газа (до 20%).

Тип дыхания бактерий зависит от набора ферментов. От окисляемого субстрата (донора) электрон водорода передается с помощью дегидрогеназы восстанавливаемому веществу (акцептору) - флавопротеину (ФАД) или желтому ферменту, который передает электрон водорода непосредственно кислороду с образованием перекиси водорода или следующему промежуточному передатчику - цитохрому, который, в конечном счете, передает его кислороду с образованием воды или перекиси водорода. Описано 3 типа цитохромов - А, В, С. Бактерии не всœе и не в одинаковой мере содержат всœе три компонента цитохрома. Так, к примеру, строгие аэробы содержат всœе три компонента цитохрома. Οʜᴎ имеют самую длинную дыхательную цепь (дегидрогеназы, флавопротеины, цитохромы). Конечный акцептором электронов является кислород.

Факультативные анаэробы содержат один или два компонента цитохрома, в то время как строгие анаэробы, как правило, не имеют цитохрома С, в связи с этим у них конечным акцептором электронов водорода являются неорганические вещества (нитраты, сульфаты, карбонаты). В аэробных условиях электрон водорода от флавопротеина может непосредственно передаваться кислороду с образованием перекиси водорода, гидроксиланиона, супероксиданиона.

Аэробы и факультативные анаэробы, в отличие от облигатных анаэробов, имеют ферменты, расщепляющие каталазу и пероксидазу, а также мощный фермент - супероксиддисмутазу (СОД) для нейтрализации токсичных радикалов кислорода. У облигатных анаэробов эти ферменты не вырабатываются, в связи с этим накопление токсических для мембран клеток соединœений вызывает их разрыв и неизбежную гибель.

3. Брожение (субстратное фосфорилирование) - разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество.

При брожении происходит расщепление сложных органических веществ до более просто устроенных с выделœением небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее превращения зависят от набора ферментов анаэробных бактерий. Учитывая зависимость оттого какие конечные продукты образуются, выделяют разные типы брожения:

· Молочнокислое брожение вызывается лактобактериями, бифидобактериями, стрептококками, образуя из ПВК молочную кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную, янтарную, уксусную кислоты, ацетон (гетероферментативное брожение). Эти бактерии применяются в производстве молочно-кислых продуктов: ряженки, простокваши, кефира, йогуртов и творога.

· Маслянокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются анаэробные бактерии рода клостридии, а также бактероиды, фузобактерии и другие микроорганизмы, вызывающие у человека опасные анаэробные инфекции. Основным продуктом брожения является масляная,изомасляная, уксусная, валериановая кислоты.

· Пропионовокислое брожение также вызывается анаэробами - пропионибактериями (обитатели кожи и слизистой оболочкичеловека и животных могут вызывать анаэробные инфекции), которые используются в производстве сыров. Конечный продукт брожения - пропионовая кислота.

· Спиртовое брожение. Вызывают дрожжи. В результате спиртового брожения образуется этиловый спирт, что издавна используется в пивоварении и виноделии.

· Бутиленгликолевое брожение. В результате брожения образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, срероводород и другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают кишечная палочка и другие энтеробактерии, в т.ч. - возбудители кишечных инфекций - сальмонеллёза, дизентерии.

При субстратном фосфорилировании из глюкозы или других источников углерода выделяется незначительное количество энергии, так как образующиеся при этом продукты брожения (молочная кислота͵ спирты и др.) сохраняют в себе значительные количества энергии. По этой причине в анаэробных условиях бактериальная культура для получения крайне важно й энергии во много раз больше разлагает пищевого материала, чем в присутствии кислорода. Теплообразование при развитии бактериальной флоры в органическом материале (навоз, торф, мусор) может привести к его самовозгоранию.

Изучение ферментов бактерий имеет большое практическое значение для разработки методов диагностики (идентификации) возбудителœей инфекционных заболеваний по набору ферментов, а также для создания современных биотехнологий получения продуктов питания в т.ч. молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина, пива и т.д.

Дыхание бактерий - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Дыхание бактерий" 2017, 2018.

Страница 16 из 91

Жизнь микробов, как и всех живых существ, связана с беспрерывным расходованием энергии, и, следовательно, для поддержания физиологического равновесия необходимо постоянное возобновление ее запасов. Последнее осуществляется микроорганизмами при помощи процесса дыхания.
В отличие от животных и высших растений процесс дыхания у микробов, несмотря на их микроскопическую величину, отличается своей сложностью и многообразием, в основе которого лежит действие различных ферментов. По типу дыхания микроорганизмы делятся на три группы:

1. облигатные аэробы, развивающиеся только при свободном доступе кислорода. Процесс дыхания у них осуществляется при участии молекулярного кислорода воздуха (например, холерный вибрион).
2. облигатные анаэробы, способные жить только в отсутствие кислорода воздуха (например, столбнячная палочка).
3. факультативные анаэробы, к которым относится огромное большинство патогенных микроорганизмов- они могут существовать как в отсутствие кислорода воздуха, так и при незначительном доступе его.

Работами Пастера впервые было установлено, что ряд микроорганизмов может развиваться в бескислородной среде, получая необходимую энергию при расщеплении сложных органических веществ питательного субстрата. Процессы глубокого расщепления безазотистых органических соединений, в основе которого лежит обычно анаэробное дыхание, называется брожением. Процесс аэробного и анаэробного дыхания осуществляется биологическими катализаторами (ферментами), которые способны при дыхании активировать течение окислительных реакций. При аэробном и анаэробном дыхании в первой фазе процесса отмечается активация водорода ферментами из группы дегидрогеназ, которые отнимают водород от субстрата (питательной среды) и переносят его от одной органической молекулы к другой- от одного акцептора к другому (от лат. acceptor- воспринимающий). А так как в структуре атома водорода на орбите имеется один электрон, то процесс отнятия водорода от субстрата является окислительным. В последней фазе при аэробном дыхании аэробные дегидрогеназы передают отнятый от субстрата водород непосредственно кислороду воздуха, который является конечным акцептором. При этом может образоваться перекись водорода, которая играет роль окислителя органических соединений. Фермент каталаза, имеющийся у всех аэробных организмов, разлагает перекись водорода на воду и кислород, а фермент пероксидаза активирует кислород перекиси.
Анаэробные дегидразы не могут отдавать водород кислороду воздуха, а передают его другим акцепторам (ферментам, другим веществам, появляющимся в процессе брожения).
Как при аэробном, так и при анаэробном дыхании наблюдается, окисление одних веществ и восстановление других.
Сущность окисления состоит в потере электронов окисляющимся веществом, а при восстановлении происходит присоединение электронов восстанавливающимся веществом.
Таким образом, акты дыхания у микроорганизмов представляют собой ряд последовательных окислительно-восстановительных процессов, которые приводят к освобождению необходимой для их жизнедеятельности энергии.
Наиболее доступными продуктами для окисления аэробными микробами являются сахара, спирты и органические кислоты. Сложные азотистые соединения используются для дыхания в последнюю очередь. Анаэробные микробы в качестве окисляемого субстрата используют органические соединения и минеральные вещества.

Анаэробное дыхание является менее экономичным, чем аэробное, что видно из следующего примера. В процессе аэробного расщепления одной молекулы виноградного сахара освобождается 674 калории тепла. (СбН120б+602=6С02+6Н20+674 калории), а при анаэробном разложении той же молекулы - лишь 27 калорий (C6Hi206=2C2H50H+2C02+27 калорий).
Примечание. Тип дыхания микроорганизмов находит свое отражение в характере их роста на искусственных питательных средах. Так, например, туберкулезная палочка, являясь облигатным аэробом, в пробирке или колбе с питательным бульоном растет только поверхностно, в виде пленки, оставляя среду прозрачной, анаэробные бациллы - только придонио, а бактерии кишечно-тифозной группы (факультативные анаэробы) растут одинаково во всех слоях бульона, давая диффузный рост.
Методы культивирования анаэробов. Для культивирования анаэробов, помимо соответствующих питательных сред, необходимо создать бескислородные условия среды. Методов культивирования анаэробных микробов существует много. По принципам, положенным в основу этих методов, их можно разделить на химические, физические и биологические.
Химические методы. Есть два метода выращивания анаэробов. Первый метод заключается в том, что засеянные анаэробами пробирки или чашки помещают в замкнутое пространство (например, эксикатор) и ставят какой-нибудь поглотитель кислорода - гипосульфит натрия и щелочной раствор пирогаллола. На 1 г пирогаллола берут 10 мл 10% раствора NaOH- это количество вещества способно связать кислород в объеме около 200 мл воздуха.
Самые простые способы осуществления анаэробиоза с помощью этой смеси следующие:

1. Ватную пробку пробирки с посевом данной культуры подрезают, опускают несколько вглубь и смачивают раствором (0,5- 1 мл). Доступ воздуха прекращается путем закупоривания резиновой пробкой или резиновым колпачком.

Видео: Бактерии 1959

1. Удаление воздуха из питательных сред перед засевом кипячением в водяной бане в течение 15 минут и последующим быстрым охлаждением до 45-50°. Для того чтобы не дать возможности воздуху вновь проникнуть в среду, пробирки запаивают, либо поверхность среды заливают стерильным парафиновым маслом.
2. Получение изолированных колоний в глубоких слоях среды по способу Виньяля. Техника посева по методу Виньяля следующая: в 3-4 пробирки с расплавленной агаровой средой делают посев испытуемого материала с постепенным его разведением. Не застывший еще после засева агар из каждой пробирки набирают в пастеровские пипетки, которые затем запаивают только с оттянутого конца (при запайке во избежание разбрызгивания материала нельзя держать противоположный конец зажатым). Трубки быстро охлаждают и переносят в термостат. Через 2-3 дня при удачном разведении исходного материала можно наблюдать отдельные колонии.

Для выделения колонии у намеченного на трубке места делают надрез напильником, после чего трубка легко надламывается. На этом месте содержимое выливают в стерильную чашку Гейденрейха - Петри, колонию берут петлей или втягивают в тонкую оттянутую пипетку и переносят в бульон или уколом в столбик сахарного агара.

1. Удаление воздуха (а следовательно, и кислорода) из среды механическим путем. Для этого пользуются особыми приборами - анаэростатами (рис. 41). Анаэростат в простейшей форме представляет собой прямоугольную или цилиндрическую металлическую коробку, закрывающуюся крышкой на резиновой прокладке. Цилиндр снабжен металлическим краном, присоединяющимся к насосу. Пробирки и чашки с посевами помещают внутрь, воздух выкачивают насосом. Для культивирования строгих анаэробов достаточно снизить давление до 1 мм.

Биологические методы. Из биологических методов чаще всего применяется заражение животных и метод Фортнера.
При заражении животных используемый материал вводят животному в смеси со специфической сывороткой. Этот метод может быть использован в двух направлениях:

1. Для выделения микробов из смеси. Если микроб соответствует сыворотке, он погибает. Другие же микробы, не соответствующие данной сыворотке, выделяются из животного.
2. Для определения токсинов. При наличии в исследуемом материале токсина животное, получившее его в смеси с антитоксической сывороткой, выживает. Контрольное животное погибает. Такая постановка диагноза широко применяется при биологической пробе на токсин.

Метод Фортнера. Этот метод приближает лабораторную технику к природным условиям развития анаэробных микроорганизмов. Фортнер применил метод симбиоза аэробных микробов, способных энергично поглощать кислород воздуха (Bact. prodigiosum), с анаэробами, засеянных на кровяной агар в чашке Гейденрейха - Петри. Чашка разделена на две части вырезанной полоской агара, чтобы при сплошном росте избежать смешивания культур. На одну половину чашки засевают исследуемый на анаэробы материал, на другую - заведомо известный облигатный аэроб (Bact. prodigiosum Сас. subtilis и др.).
Для изоляции внутреннего пространства чашки от внешней атмосферы края ее заливают воском или заклеивают пластилином. Методом Фортнера можно получить хороший поверхностный рост анаэробов.
Питательные среды для выращивания анаэробов. Бульон Китта - Тароцци. В пробирку с мясо-пептонным бульоном, прибавляют кусочки сваренной и промытой кипятком на сите печени (3-5 г на пробирку) или мясной фарш, заливают вазелиновым маслом и стерилизуют при 115° в течение 30 минут.
Кровяной агар с глюкозой (Цейсслера). Слабощелочной агар, содержащий 2-3% агар-агара и 2% глюкозы, разливают в большие пробирки (25 см длины и 2,5 см в поперечнике), приблизительно по 60 мл в каждую, стерилизуют 30 минут при 110° и в таком виде сохраняют. Перед употреблением агар растапливают в водяной бане, охлаждают до 45°, в каждую пробирку добавляют 12-15 мл стерильной дефибринированной крови, перемешивают и разливают в 3-4 чашки Гейденрейха-Петри. Готовые чашки выдерживают перед посевом 2 суток при комнатной температуре.
Агар для трубок Вейона. К мартеновскому бульону добавляют 2% агара и 0,5% глюкозы. Устанавливают pH 7,4, разливают в узкие пробирки (диаметр 0,3-0,5 см, длина 20 см). Столбик агара должен быть не выше 2/3 длины пробирки и стерилизуют дробно 3 дня по 40 минут в текучепаровом аппарате.

Дыхание является источником энергии для живых существ. Происходящие в микробной клетке синтетические процессы построения протоплазмы, процессы роста, размножения, движения и др. требуют притока свободной энергии, так как эти процессы эндотермичны. Поэтому в микробной клетке постоянно совершаются одновременно с процессами ассимиляции процессы диссимиляции, освобождающие энергию для ее жизнедеятельности.

Совокупность биохимических процессов, в результате которых образуется энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки, составляет энергетический обмен. В противоположность высшим организмам энергетический обмен у микроорганизмов имеет разнообразные формы: дыхание, брожение и др.

Дыханием называется окисление органических веществ с помощью газообразного кислорода до углекислоты и воды. Так, окисление сахара в процессе дыхания выражается уравнением С 6 Н 12 О 6 +6О 2 =6СО 2 +6Н 2 О+энергия. Это уравнение противоположно уравнению фотосинтеза 6СО 2 +6Н 2 О+энергия=C 6 H 12 О 6 +6O 2 .

В 1861 г. Луи Пастер при изучении масляно-кислого брожения установил, что возбудитель этого брожения (Вас. butyricus) нормально развивается только в отсутствие свободного кислорода, энергию он поручает за счет реакции расщепления органического субстрата. Пастер определил сущность брожения как жизнь без кислорода. Кислород воздуха не принимает участия в брожении, а органическое вещество окисляется за счет отнятия водорода, который присоединяется к продуктам распада этого же органического вещества или выделяется в газообразном состоянии.

Автотрофы получают энергию за счет окисления простых неорганических соединений: сероводорода, аммиака, водорода. Денитрифицирующие и десульфофицирующие бактерии получают энергию путем окисления соответственно нитратов и сульфатов, но они могут получать энергию и за счет окисления органических веществ. У некоторых микробов реакция окисления кислородом не доходит до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О. Такой неполный окислительный процесс наблюдается у уксуснокислых бактерий, окисляющих спирт только до уксусной кислоты, и некоторых видов плесеней, разлагающих сахар до щавелевой и лимонной кислот.

Гнилостные бактерии используют энергию, освобождающуюся при расщеплении ими белков, при этом энергия химических связей аминокислот превращается в энергию АТФ.

По отношению к кислороду микробы разделяются на две группы: аэробы, развивающиеся только при наличии кислорода в окружающей среде, и анаэробы, которые развиваются при отсутствии свободного кислорода. Кроме того, имеется еще одна промежуточная группа - факультативные анаэробы, способные жить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Имеются также микроаэрофилы, развивающиеся при уменьшенном количестве кислорода в среде, например бруцеллезная палочка.

Образующаяся химическая энергия только частично рассеивается в виде тепла. Большая же часть этой энергии улавливается и сохраняется в виде макроэргических связей АТФ. Фосфатные группы связаны между собой непрочно и легко освобождают свою энергию в нужных количествах там, где она необходима для жизнедеятельности клетки. АТФ, теряя энергию, превращается в АДФ (аденозиндифосфат) и в АМФ (аденозинмонофосфат).

1. АТФ+Н 2 О→АДФ+Н 3 РО 4 +10000 кал

2. АДФ+Н 2 О→АМФ+Н 3 РО 4 +10000 кал

АТФ, АДФ, АМФ и фосфорная кислота всегда присутствуют в различных соотношениях в каждой клетке. Реакции эти обратимы, АМФ и АДФ могут присоединять к себе фосфорную кислоту и превращаться в АТФ. Так обеспечивается более или менее постоянное количество АТФ в клетке. Запас АТФ в клетке ограничен. Для восстановления макроэргических связей АТФ все время используется энергия расщепления углеводов и других веществ.

Долгое время считали, что процесс дыхания свойствен высшим организмам, а брожение только микроорганизмам. Затем было установлено, что они тесно связаны друг с другом. Дыхание и брожение представляют собой очень сложные комплексы сопряженных окислительно-восстановительных процессов, которые определяются тем или иным набором ферментов.

Во всех энергетических процессах в клетке можно различить три стадии. В первой, подготовительной стадии крупные молекулы углеводов, жиров, белков распадаются на небольшие молекулы глюкозы, глицерина, жирных кислот, аминокислот. Происходит подготовка веществ к дальнейшим превращениям, здесь не происходит заметного извлечения энергии.

В следующей стадии, называемой стадией неполного окисления, образовавшиеся глюкоза, жирные кислоты и другие вещества подвергаются сложному многоступенчатому процессу. Таково неполное окисление, которое называется гликолизом или брожением. Эта стадия анаэробная. Гликолиз представляет собой более десяти последовательных ферментативных реакций. Из глюкозы последовательно образуется десять различных промежуточных веществ (субстратов) и действует столько же специфических ферментов. Весь этот процесс идет по типу молочнокислого брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями, и имеет много сходного со спиртовым брожением, вызываемым дрожжами.

Процесс начинает фермент гексокиназа, под влиянием которого глюкоза вступает в реакцию с АМФ и образуется гексозо-6-фосфат. Гексозо-6-фосфат под действием фермента алдолазы переходит во фруктозо-6-фосфат и т. д. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Суммарное уравнение всего процесса выражается так: С 6 Н 12 О 6 =2С 3 H 6 О 3 .

Последней стадией процесса является полное окисление субстратов до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О. Эта стадия протекает в аэробных условиях. Следовательно, она имеется только у аэробов. В этой стадии участвуют органические кислоты, состоящие из трех углеродных атомов, почему и назвали ее циклом трикарбоновых кислот (Крепс, 1953).

Цикл начинается с того, что две молекулы молочной кислоты окисляются и дают две молекулы пировиноградной кислоты. Одна из молекул пировиноградной кислоты окисляется с отщеплением одной молекулы углекислоты, и образуется уксусная кислота. Углекислота связывается с другой молекулой пировиноградной кислоты, и образуется щавелевоуксусная кислота. Уксусная кислота соединяется с коферментом А, происходит конденсация ее с щавелевоуксусной кислотой и водой, и образуется лимонная кислота.

Лимонная кислота превращается в аконитовую кислоту. Далее происходит еще ряд превращений с образованием снова щавелевоуксусной кислоты, и па этом цикл заканчивается. Лимонная кислота оказывается вся разложенной. Из ферментов в цикле участвуют дегидрогеназы НАД, ФАД, цитохромы. Так, при дегидровании янтарной кислоты в цикле от нее отнимается электрон, он переносится на ФАД, и образуется ФАД-Н 2 , янтарная кислота окисляется в фумаровую кислоту. Электроны далее продвигаются по цепочке цитохромов к кислороду. Происходит соединение с активированным цитохромоксидазой кислородом с образованием воды. Непосредственно же кислород в реакциях не участвует.

Подсчитано, что в этом цикле из одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ и в процессе гликолиза две молекулы АТФ, всего, следовательно, 38 молекул АТФ, или 380 больших калорий из 680 больших калорий, содержащихся в грамм-молекуле глюкозы, т. е. получено 55% полезной химической энергии. Это очень большой процент но сравнению с к.п.д., получаемым в технике (12-25%). Энергия выделялась постепенно по частям. Если бы она была выделена сразу, то клетка была бы повреждена.

Ферменты, принимающие участие в реакциях, расположены в митохондриях и локализованы рядами по порядку их действия в ходе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Продукты распада триоз частично идут на биосинтез. Так, из пировиноградной кислоты может образоваться аланин, из кетоглутаровой кислоты - глютаминовая кислота, из щавелевоуксусной кислоты - аспарагиновая кислота путем аминирования. Уксусная кислота может пойти на синтез высших жирных кислот.

Протекающие при дыхании реакции имеют сопряженный характер окисления-восстановления. В ходе реакций окисления-восстановления развивается электродвижущая сила, которая может быть измерена в виде так называемого окислительно-восстановительного потенциала (rН 2).

Аэробы приспособлены к более высокому rН 2 (20 и выше), анаэробы - к низкому (0-12), факультативные анаэробы - 0-20. Снижая rН 2 среды, можно добиться роста анаэробов в присутствии кислорода, а повышая rН 2 , выращивать аэробы в анаэробных условиях.

В энергетическом отношении анаэробное дыхание во много раз менее эффективно, чем аэробное. Так, если при аэробном процессе окисления глюкозы до СО 2 и Н 2 О получается 674 ккал, то при спиртовом брожении - 27 ккал, при молочнокислом - 18 ккал и при масляно-кислом - всего 15 ккал. Это объясняется тем, что конечными продуктами анаэробного окисления являются органические соединения, сохранившие еще большой запас энергии. Например, спирт (продукт спиртового брожения) прекрасно горит.

Потерю тепла при брожении можно наблюдать в культурах, хорошо защищенных от потери тепла. За счет выделения этого тепла происходит самонагревание влажного сена, навоза, торфа и пр.

У светящихся бактерий потеря энергии выражается в виде свечения. Свечение морской воды, гнилого дерева, мха, рыбы объясняется присутствием на них особых светящихся бактерий аэробов. Они имеют особый фермент - люцеферазу, который химическую энергию АТФ переводит в энергию света.

К анаэробным относятся палочки столбняка, ботулинуса, масляно-кислые бактерии, возбудители газовой гангрены и др.

К аэробам относятся нитрифицирующие, уксуснокислые, азотобактерии, миксобактерии, плесени, микобактерии, холерный вибрион. Факультативные анаэробы - кишечная палочка, дифтерийная палочка, стрептококк, стафилококк, спириллы и др.