Из каких трех процессов состоит дыхание микроорганизмов. Дыхание микроорганизмов, сущность процесса. Способы дыхания. Физиология микроорганизмов

Дыхание - это физиологический процесс, необходимый всем живым организмам для получения энергии. Большинство микроор­ганизмов получают энергию в результате сложного процесса фер­ментативных окислительно-восстановительных реакций, в основе которых лежит отделение и присоединение водорода. Принято счи­тать, что перенос водорода равноценен переносу электрона. Веще­ство, которое отдает электроны, окисляется и является донором. Вещество, которое принимает электроны, восстанавливается и на­зывается акцептором. В качестве доноров электронов могут быть органические и неорганические соединения, а конечными акцепто­рами - только неорганические соединения. В зависимости от ко­нечного акцептора водорода различают аэробное дыхание, анаэ­робное дыхание и брожение . Если конечным акцептором водоро­да является молекулярный кислород, то дыхание называют аэроб­ным, При анаэробном дыхании акцептором являются неорганичес­кие соединения типа нитратов или сульфатов. Если донором и ак­цептором водорода является органический субстрат, то такой энер­гетический процесс называется брожением. При брожении водо­род передается на органическое соединение, образующееся в ходе самого брожения.

В процессе брожения высвобождается меньше энергии, чем в аэробных условиях. В аэробных условиях окисление происходит наиболее полно, с выделением максимального количества энергии. При этом конечными продуктами окисления являются диоксид угле­рода и вода. В анаэробных условиях брожение сопровождается лишь частичным высвобождением энергии, связанной в органических веще­ствах. Поэтому для получения того же количества энергии бактериям в анаэробных условиях приходится расходовать больше органи­ческого субстрата. Это сопровождается накоплением в субстрате не полностью окислившихся веществ, содержащих запасы химичес­кой энергии - спирта, молочной кислоты, лимонной кислоты, масля­ной кислоты и др. В зависимости от продукта, который накапливает­ся в результате такого типа брожения, процессы получили название спиртового, молочного, маслянокислого брожения и т.п.

По отношению микроорганизмов к молекулярному кислороду их принято подразделять на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы.

Облигатные аэробы (от лат. obligatus - обязательный, стро­гий) развиваются при наличии в атмосфере 20 % кислорода, растут на поверхности плотных и жидких питательных сред, содержат ферменты оксидазы, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха. Реакция протекает по схеме рис. 27. Создаваемая разность потенциалов между водородом и кислородом является источником энергии для всех аэробов.

Передача электронов на кислород происходит не прямым путем, а в результате сложного многоступенчатого процесса - дыха­тельной цепи. В эту цепь входит сложный комплекс ферментов и ко ферментов, в том числе цитохромов, которые представляют собою белковые молекулы, соединенные с химической группиров­кой - гемом. Гем содержит атом железа, обладающий способнос­тью попеременно окисляться и восстанавливаться.

Во время прохождения электронов по цепи энергия освобож­дается отдельными небольшими порциями. Часть освобождающей­ся энергии аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфата (АТФ) - происходит окислительное фосфорилирование. Определенное количество энергии выделяется во внешнюю среду. Молодая бактериальная культура вырабатывает больше энергии, чем ей необходимо для жизненных процессов, поэтому иногда на­блюдается саморазогревание субстрата (зерно, навоз, торф и др.), а в отдельных случаях даже самовозгорание.

Рис. 27. Основные схемы цепи переноса электронов

у аэробных микроорганизмов.

Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем коли­честве кислорода. Высокая концентрация кислорода задерживает рост этих микроорганизмов (актиномицеты, лептоспиры, бруцеллы и др.).

Факультативные анаэробы могут размножаться как в при­сутствии, так и в отсутствии кислорода. В первом случае они ис­пользуют в процессах биологического окисления атмосферный кис­лород в качестве конечного акцептора водорода. При недостатке кислорода в качестве акцептора они используют нитраты, сульфа­ты и другие вещества. К этой группе относится большинство мик­роорганизмов. Типичными представителями факультативных анаэ­робов являются кишечная палочка, сальмонеллы и др.

Облигатные анаэробы размножаются в условиях полного отсутствии кислорода в среде обитания. В середине XIX века Пастер в своих исследованиях по брожению показал, что жизнь воз­можна и без кислорода. У организмов, живущих в анаэробных ус­ловиях, т.е. без кислорода, метаболизм основан на брожении. Пастер так и говорил, что брожение - «это жизнь без кислорода)».

В анаэробных условиях микроорганизмы получают энергию при окислении органических субстратов не кислородом воздуха, а связанным кислородом неорганических соединений (нитратов, суль­фатов), которые при этом восстанавливаются. Это объясняется свойством дыхательных анаэробных ферментов - анаэробных или первичных дегидрогеназ, которые могут передавать водород толь­ко на органический субстрат или другим дегидрогеназам. В аэроб­ных условиях аэробные, или вторичные, дегидрогеназы передают водород кислороду воздуха с образованием пероксида водорода. который затем быстро разрушается каталазой. Анаэробы не обла­дают способностью продуцировать фермент каталазу, разрушающему высокотоксичный для бактерий пероксид водорода. Поэто­му для многих видов анаэробов кислород токсичен даже в ничтож­ных концентрациях.

Кроме того, при наличии кислорода в среде происходит инак­тивация жизненно важных ферментов анаэробов, в результате чего они теряют способность к нормальному питанию. При добавлении в среду редуцирующих веществ, например, глюкозы, жизнедеятель­ность микроорганизмов восстанавливается.

Коблигатным анаэробам относятся: палочка масляиокислого брожения (Clostridium butirycum), палочка ботулизма (Clostridium botulinum), палочка столбняка (Clostridium tetani) и др.

Существует два типа дыхания мкробов – аэробное и анаэробное.

Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором акцептором водорода (прото­нов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления, главным образом сложных орга­нических соединений, образуется энергия, которая вы­деляется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у ми­кроорганизмов- углеводы. При их расщеплении, кото­рое происходит разными путями, получается важный промежуточный продукт - пировиноградная кислота. Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Креб-са) и дыхательной цепи. В результате расщеп­ления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца--до образования углерода диоксида и воды с освобождением большого количества энергии: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 -*■ 6СО 2 + 6Н 2 О + 2874,3 к Дж.

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, они образуются плесневыми грибами. Например, осуществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бак­териями, у которых при окислении этилового спирта об­разуется уксусная кисло­та и вода:

СН 3 СН 2 ОН + О 2 -* СН 3 СООН + Н 2 О + 494,4 к Дж.

У некоторых бактерий в процессе дыхания происхо­дит окисление неорганических соединений. Примером окисления неорганических соединений могут служить процессы нитрификации, при которых нитрифицирующие бактерии вначале окисляют аммиак до азотистой кис­лоты, а затем до азотной. В каждом случае при этом выделяется энергия: в первой фазе 274,9 кДж, во вто­рой-87,6 кДж.

Анаэробное дыхание осуществляется без участия мо­лекулярного кислорода. Различают анаэроб­ное нитратное дыхание, анаэроб­ное сульфатное дыхание и брожение. При анаэробном дыхании акцептором водорода являются окисленные неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восстанов­ленные формы, что сопровождается выделением энергии.

1. анаэроб­ное нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекулярного азота

2. анаэроб­ное сульфатное дыхание - восстановление сульфатов до сероводорода.

3. Брожение - расщепление органических углеродсо-держащих соединений в анаэробных условиях. Оно ха­рактеризуется тем, что последним акцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщен­ными связями. Вещество при этом разлагается только до промежуточных продуктов, представляющих собой сложные органические соединения (спирты, органиче­ские кислоты). Заключенная в них энергия в небольших количествах выделяется в окружающую среду. При бро­жении энергии освобождается меньше. Например, при брожении глюкозы освобождается в 24,5 раза меньше энергии, чем при ее аэробном окислении.

Все виды броже­ний до образования пировиноградной кислоты протека­ют одинаково. Дальнейшее превращение пировиноград­ной кислоты зависит от свойств микроба. Гомофермен-тативные молочнокислые бактерии превращают ее в молочную кислоту, дрожжи - в этиловый спирт и т. д.

Классификация микробов по типу дыхания.

По типу дыхания микроорганизмы классифицируют на четыре группы.

1. Облигатные (безусловные) аэробы растут при свободном доступе кислорода. К ним относятся уксуснокислые бактерии, возбудители туберкулеза, сибирской язвы и многие другие.

2. Микроаэрофильные бактерии развиваются при низкой (до 1 %) концентрации кислорода в окружающей атмосфере. Такие условия благоприятны для актиномицетов, лептоспир, бруцелл.

3. Факультативные анаэробы развиваются как при доступе кислорода воздуха, так и в отсутствие его. Имеют соответственно два набора ферментов. Это энтеробактерии, возбудитель рожи свиней.

4. Облигатные (безусловные) анаэробы развиваются при полном отсутствии кислорода в окружающей среде. Анаэробные условия (обходимы маслянокислым бактериям, возбудителям столбняка, ботулизма, газовой гангрены, эмфизематозного карбункула, некробактериоза.

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?

Основы микробиологии, физиологии питания и санитарии

методичка

2.3 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.

2.4 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.

2.5 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?

Аэробное дыхание - это окислительный процесс, в ходе которого расходуется кислород. При дыхании субстрат без остатка расщепляется до бедных энергией неорганических веществ с высоким выходом энергии...

Аэробное и анаэробное дыхание растений

Анаэробное дыхание. Некоторые микроорганизмы способны использовать для окисления органических или неорганических веществ не молекулярный кислород, а другие окисленные соединения, например, соли азотной, серной и угольной кислот...

Гетеротрофные организмы. Окисление органических веществ (дыхание) для энергетического обеспечения жизнедеятельности

Дыхание. Первоначально люди называли дыханием просто вдыхание и выдыхание воздуха. Долгое время считали даже, что человек никак не изменяет состав воздуха при дыхании, и вообще вдыхает воздух, только чтобы охладить «перегретые» лёгкие...

Дыхательная система человека

Различают внешнее дыхание - совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа клеточное, или тканевое...

Иммобилизованные растительные клетки

О жизнеспособности клеток судят по их дыханию, которое можно измерять в течение инкубации через различные промежутки времени. Измерения проводят с помощью кислородного электрода Кларка по следующей стандартной методике. Клетки...

Морфология и метаболизм дрожжей

При росте в аэробных условиях при низком содержании глюкозы в среде дрожжи получают АТФ за счет процессов дыхания, как это делает большинство аэробных организмов...

При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов могут являться углеводы, в числе других органических веществ, но не молекулярный кислород. Бактерии, способные к анаэробному дыханию, имеют укороченную дыхательную цепь...

Превращение микроорганизмами соединений углерода

При аэробном дыхании донором водорода или электронов являются органические (реже неорганические) вещества, а конечным акцептором - молекулярный кислород. При аэробном дыхании пируват, образованный в ходе гликолиза и пути Энтнера-Дудорова...

Предмет, задачи и методы физиологии растений

В процессе дыхания участвует сложная цепь окислительно-восстановительных превращений углеводов и жиров. Под окислением какого-либо соединения понимают процесс потери им электрона (протона), под восстановлением -- их присоединения...

Регуляция дыхания

На активность нейронов дыхательного центра выраженное влияние оказывают рефлекторные воздействия. Различают постоянные и непостоянные (эпизодические) рефлекторные влияния на дыхательный центр...

Способы размножения у различных микроорганизмов, сущность и химизм их дыхания

Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии...

Стадии дыхания семян злаковых

Анаэробное окисление углеводов идёт по пути гликолиза. Гликолиз - это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом высвобождается энергия...

Строение, свойства и функции белков

Клеточное дыхание, или тканевое дыхание, или внутреннее дыхание - это совокупность управляемых окислительно-восстановительных реакций в клетке, главным назначением и результатом которых является образование энергии...

Физиология дыхания

Дыхание- это совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выделение двуокиси углерода. - В условиях покоя в организме за 1 минуту потребляется в среднем 250 - 300 мл О2 и выделяется 200 - 250 мл СО2...

Физиология дыхания

Внешнее дыхание осуществляется благодаря изменениям объема грудной клетки и сопутствующим изменениям объема легких. Во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, а во время выдоха - уменьшается...

Дыхание бактерий. Необходимую для своей жизнедеятельности энергию клетка бактерии получает в процессе дыхания бактерии.

По типу дыхания все микроорганизмы делятся на две группы: микробы, у которых процесс дыхания связан с использованием свободного кислорода воздуха, и микроорганизмы, не нуждающиеся в свободном кислороде, который для них оказывается даже вредным.

Первая группа микроорганизмов получила название аэробов (тип дыхания аэробный); вторая группа - анаэробов (тип дыхания - анаэробный).

Расщепление углеводов в бескислородных условиях называется брожением. В зависимости от вида микроорганизмов, вызывающих процесс брожения, последний бывает спиртовым, уксуснокислым и др. Это значит, что в процессе брожения может образовываться либо спирт, либо уксусная кислота и т. д.

Ферменты бактерий. Процессы питания и дыхания бактерий протекают обязательно при участии ферментов - особых веществ белкового характера. Ферменты даже в самых незначительных количествах намного ускоряют соответствующие химические процессы, сами почти не изменяясь.

Без ферментов процессы питания и дыхания могли бы протекать, но очень медленно. Ферменты образуются только в живых клетках. Одна группа ферментов не связана с микробной клеткой, и они выделяются бактериями в окружающую среду. Функция этой группы заключается в том, что ферменты способствуют расщеплению сложных соединений на более простые, доступные усвоению. Другая группа ферментов (таких большинство) находится внутри бактериальной клетки и связана ней.

Кроме того, существуют ферменты, которые появляются у бактерий в процессе приспособления к изменившимся условиям питания.

Характерная особенность ферментов заключается в том, что на вещества определенного состава или групп действует свой фермент. Так, имеются ферменты для переработки сложных углеродистых соединений (сахаров), белков, жиров и т. д.

Рост и размножение бактерий. Процесс роста бактериальной клетки выражается в увеличении ее размеров. Этот процесс протекает очень быстро - в течение нескольких минут.

После того как бактерии достигают взрослого состояния, начинается процесс размножения путем простого поперечного деления. В благоприятных условиях (достаточное питание, благоприятная температура) бактериальная клетка делится каждые 50-30 мин. Подсчитано, что если бы размножение бактерий происходило беспрепятственно, то в течение 5 суток из одной клетки образовалась бы такая живая масса, которая заполнить все моря и океаны. Но такое размножение требует как указывалось выше, ряда благоприятных условий, которые во внешней среде не имеют места.

Химический состав бактерий. Бактериальная клетка содержит большое количество воды - 75-85% массы клетки. Oстальные 15% приходятся на сухой остаток, в состав которого входят белок, углеводы, жиры, соли и другие вещества.

Бактериальные белки представляют собой сложные белки, состоящие из различных химических соединений. Эти химические вещества необходимы для жизнедеятельности бактериальной клетки.

Кроме белков в состав сухого остатка бактерий входят углеводы (12-28%), нуклеиновые кислоты.

Количество жиров, входящих в состав сухого остатка, может быть различным. У некоторых форм бактерий содержание жира доходит до "/з сухого остатка. В основном жиры входят в состав оболочки, обусловливая ряд ее свойств.

Необходимой составной частью бактериальной клетки являются минеральные соли, составляющие около "/зоо всей масс клетки. В состав бактериальных клеток входят также азот, кислород, водород, углерод, фосфор, калий, натрий, магний, кальций, кремний, сера, хлор, железо.

В зависимости от условий внешней среды химический состав бактерий может изменяться как количественно, так и качественно.

Питание бактерий. Питание бактерий - весьма сложный процесс, который происходит за счет непрерывного проникновения определенных питательных веществ через полупроницаемую оболочку и выделения из клетки продуктов обмена.

Так как оболочка бактерий непроницаема для белков и других сложных соединений, необходимых для питания клетки, эти вещества усваиваются после расщепления ферментами.

Большое значение для нормального питания бактерий имеет правильное соотношение концентраций солей внутри клеток и в окружающей среде. Наиболее благоприятные условия питания создаются при концентрации солей в окружающей среде, равной 0,5% раствора хлористого натрия.

При попадании в 2-10%-ный раствор хлористого натрия происходит сморщивание бактериальной клетки - обезвоживание, которое делает ее неспособной к размножению. На этом основан способ консервирования продуктов при помощи соления.

Для питания бактериям необходимы кислород, водород, углерод и азот. Источниками снабжения этими веществами может быть вода, воздух и др.

Помимо перечисленных обычных питательных веществ для роста бактерий необходимы особые химические соединения.

Установлено, что некоторые виды стрептококков совершенно не растут при отсутствии витамина В.

Пигментообразование. Некоторые виды бактерий и грибков обладают способностью образовывать различные красящие вещества- пигменты. Большей частью этой способностью обладают бактерии, находящиеся в почве, воздухе и воде. Особенно отчетливо это качество микробов обнаруживается в лабораторных условиях. При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют колонии, которые благодаря различным пигментам имеют окраску: красную, белую, фиолетовую, золотистую и др.

Установлено, что наилучшими условиями для образования пигмента являются достаточный доступ кислорода, света и комнатная температура.

Считают, что пигменты у микробов выполняют защитную функцию против губительного действия солнечного света; кроме того, они играют определенную роль в процессах дыхания.

Свечение. В природе существуют микробы, в том числе и бактерии, которые в процессе своей жизнедеятельности образуют вещества, способные при соединении с кислородом воздуха светиться. Явления свечения гнилушек, поверхности моря и др. объясняются развитием подобных микробов. Такие светящиеся микробы не болезнетворны для человека.

Образование запахов. Свойство микробов образовывать запахи (ароматообразование) объясняется наличием особых летучих веществ, которые по своей химической природе близки к эфирам (эфироподобные вещества). Различные ароматообразующие бактерии используются в пищевой промышленности для изготовления сыра, масла, вина и других продуктов.

Из бактерий, являющихся болезнетворными для человека и издающих запах при выращивании в лабораторных условиях, можно назвать туберкулезную палочку, запах которой приближается к запаху меда, и т. д.

Микробные яды. Попадая в организм человека, и размножаясь там, микробы вырабатывают вещества, отрицательно действующие на нервную систему, сердце, внутренние органы. Эти вредные вещества получили название токсинов. Микробные токсины - наиболее сильнодействующие яды из всех известных. Даже незначительное их количество может оказать ядовитое действие на организм. Поражения, наблюдаемые при многих инфекционных заболеваниях, связаны с действием микробных токсинов. Токсины имеются почти у всех болезнетворных микробов. Токсины бывают двух видов: экзотоксины и эндотоксины.

Экзотоксинами называются яды, которые легко выходят из микробной клетки в окружающую среду.

Экзотоксины характеризуются относительно малой устойчивостью, легко разрушаются под влиянием нагревания, действия света и различных химических веществ. Характерным свойством экзотоксинов является их действие в крайне малых дозах.

Микробные экзотоксины - это одни из наиболее сильных. Так, например, 0,00001 мл столбнячного токсина вызывает бель белой мыши, а токсин микроба ботулизма действует в меньшей дозе.

Эндотоксины прочно связаны с телом микробной клетки, освобождаются только после разрушения тела микроба. В отличие от экзотоксинов эндотоксины вызывают в организме следующие признаки отравления: головную боль, слабость, одышку т. д. Эндотоксины более устойчивы, чем экзотоксины, некоторые выдерживают даже кипячение. Токсичность для организмов у них значительно меньше, чем у экзотоксинов.

Эндотоксины имеются у всех болезнетворных микробов; экзотоксины вырабатываются только некоторыми из них - дифтерийной палочкой, стафилококком, бактерией ботулизма.

Изменчивость микробов. В естественных условиях на микробы постоянно воздействуют многие факторы, обусловливающие процесс изменчивости. К этим факторам помимо питания, температуры относится явление микробного антагонизма, влияние внутренней среды организма человека и животного.

Благодаря тесному контакту с окружающей средой и интенсивному размножению микроорганизмы быстро приспосабливаются к новым условиям, и соответственно с этим изменяются их первоначальные свойства. Например, в горячей воде гейзеров обитают бактерии, которые оформились как вид под влиянием окружающих условий. Некоторые болезнетворные микробы при взаимодействии с лекарственными веществами могут приобрести к ним устойчивость. Таким образом, огромное значение для жизнедеятельности организма имеют условия cyществования, изменяя которые (питание, температуру, влажность и др.), можно вызвать соответствующие изменения природы микроорганизма.

Изменчивость свойственна всем видам микроорганизмов. Одной из причин изменчивости микробов является бактериофаг.

Бактериофаги - это живые организмы, которые размножаются только тогда, когда проникают извне внутрь микробной клетки. Вне организма микробов бактериофаги не размножаются, а находятся в состоянии покоя. Действие бактериофага на микробную клетку заключается в следующем: окружив микробную клетку, бактериофаги постепенно проникают внутрь и размножаются. Быстрота размножения бактериофага зависит от многих условий: характера микроба, условий его существования и др. Через 1-3ч внутри микробной клетки образуется множество новых бактериофагов, оболочка этой клетки разрывается, и вся масса бактериофагов выпадает из нее.

При взаимодействии бактериофага с микробом, последний всегда гибнет. Если активность бактериофага недостаточна, отдельные микробные клетки выживают и дают начало росту новых микробных клеток, уже устойчивых к данному бактериофагу.

Под влиянием бактериофага микробы изменяют свои свойства: лишаются болезнетворной способности, теряют капсулу и др.

Для каждого вида болезнетворного микроба существует свой бактериофаг, например, дизентерийный, брюшнотифозный, стафилококковый.

Под действием света, кислорода воздуха, тепла, бактериофаг теряет активность в течение 1-2 месяцев. Ультрафиолетовые лучи разрушают бактериофаги за 15 мин. Быстрое уничтожение бактериофагов происходит в кислой среде.

Бактериофаги находятся повсюду, где есть бактерии. Различные бактериофаги можно обнаружить в сточных водах, речной воде, в выделениях человека и животного и других объектах.