Что получают микроорганизмы в процессе питания

Особенности питания бактерий: типы и механизмы питания, факторы роста, ферменты бактерий

Особенности питания бактерий

Типы питания микроорганизмов

Чтобы бактерии могли осуществлять нормальные процессы жизнедеятельности, им нужны определенные химические вещества. Среди них — калий, фосфор, углевод, азот, сера и др. Поэтому тема питания бактерий в микробиологии крайне важна.

Тип питания бактерий зависит от источника получения ими углерода. Бактерии по типу питания делятся на:

Еще одна классификации бактерий по типу питания основана на виде окисляемого субстрата, который является донором водорода или электронов. Выделяют:

Также деление бактерий по способам питания зависит от источника энергии. Выделяют:

Факторы роста

Микроорганизмы нуждаются в дополнительных компонентах, чтобы они могли расти на питательных средах. Такие компоненты называются факторами роста.

Факторы роста — соединения, которые нужны микроорганизмам для роста, и которые они не могут самостоятельно вырабатывать.

Факторы роста добавляются в питательные среды.

Соединения, относящиеся к факторам роста:

В зависимости от того, как микроорганизмы относятся к факторам роста, они делятся на прототрофы и ауксотрофы:

Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста.

Прототрофы синтезируют необходимые для роста соединения самостоятельно. Их особенность в том, что они способны создавать компоненты из солей глюкозы и аммония.

Механизмы питания бактерий

Есть целый ряд факторов, обуславливающих поступление веществ в бактериальную клетку. Это:

Цитоплазматическая мембрана — основной регулятор поступления в клетку различных соединений.

Существуют (условно) 4 механизма поступления в клетку веществ:

К примеру, пермеазы выступают как белки-переносчики. Пермеазы синтезируются в цитоплазматической мембране.

Мы рассмотрели типы и механизмы питания бактерий. Теперь обратимся к ферментам.

Ферменты бактерий

Ферменты — белковые соединения, которые принимают участие в таких процессах как анаболизм и катаболизм, а также распознают нужные субстраты, взаимодействуют с ними и ускоряют химические процессы.

Выделяют эндоферменты — они катализируют метаболизм, который протекает внутри клетки.

Есть еще экзоферменты — это ферменты, выделяемые бактериальной клеткой в окружающую среду. Они расщепляют макромолекулы питательных сред до простых веществ, которые клетка легко усваивает.

Отдельные экзоферменты, к примеру, пенициллиназа, инактивируют антибиотики, выполняя тем самым защитную функцию.

Конститутивные ферменты синтезируются клеткой непрерывно. Этот процесс не зависит от наличия субстратов в питательной среде.

Индуцибельные или адаптивные ферменты могут синтезироваться клеткой только в том случае, если в среде есть субстрат этого фермента.

Ферменты агрессии призваны разрушать клетки и ткани. Благодаря этому бактерии и их токсины получают возможность широкого распространения. К таким ферментам относятся коллагеназа, дезоксирибонуклеаза, гиалуронидаза, лецитовителлаза, нейраминидаза и др.

Ферменты бактерий делятся на классы:

Источник

ГК «Униконс»

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

«Антисептики Септоцил»

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

«Петритест»

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

«АльтерСтарт»

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

1.1.5. Питание, дыхание микроорганизмов

Физиология микроорганизмов изучает особенности развития, пи­тания, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности микробов в различных условиях среды.

Питание микробов осуществляется путем диффузии через оболоч­ку и мембрану растворенных в воде питательных веществ. Нераствори­мые сложные органические соединения предварительно расщепляются вне клетки с помощью ферментов, выделяемых микробами в субстрат.

По способу питания микроорганизмы разделяют на аутотрофные и гетеротрофные.

Аутотрофы способны синтезировать из неорганических веществ (в основном углекислого газа, неорганического азота и волы) органиче­ские соединения. В качестве источника энергии для синтеза эти микро­бы используют световую энергию (фотосинтез) или энергию окисли­тельных реакций (хемосинтез).

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И СОСТАВ МИКРООРГАНИЗМОВ

Вода. Микробная клетка на 75-85% состоит из воды. Большая часть воды находится в цитоплазме клетки в свободном состоянии. В воде протекают все биохимические процессы обмена веществ, вода является также растворителем этих веществ, так как питательные ве­щества поступают в клетку только в виде раствора, а продукты обме­на удаляются из клетки тоже с водой. Часть воды в клетке находится в связанном состоянии и входит в состав некоторых клеточных струк­тур. В спорах бактерий и грибов количество свободной воды снижено до 50% и менее. При значительной потере связанной воды микробная клетка погибает.

Органические вещества микробной клетки представлены белками (6-14%), жирами (1-4%), углеводами, нуклеиновыми кислотами.

Содержание жиров у различных микроорганизмов различно, у некоторых дрожжей и плесеней оно выше в 6-10 раз, чем у бактерий. Жиры (липиды) являются энергетическим материалом клетки. Жиры в виде липопротеидов входят в состав цитоплазматической мембраны, которая выполняет важную функцию в обмене клетки с окружающей средой. Жиры могут находиться в цитоплазме в виде гранул или ка­пелек.

Минеральные вещества (фосфор, натрий, магний, хлор, сера и др.) входят в состав белков и ферментов микробной клетки, они необходи­мы для обмена веществ и поддержания нормального внутриклеточного осмотического давления.

Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности ми­кроорганизмов. Они участвуют в процессах обмена веществ, так как входят в состав многих ферментов. Витамины, как правило, должны поступать с нищей, однако некоторые микробы обладают способностью синтезировать витамины, например В₂ или В₁₂.

Процессы биосинтеза веществ микробной клетки протекают с за­тратой энергии. Большинство микробов используют энергию химиче­ских реакций с участием кислорода воздуха. Этот процесс окисления питательных веществ с выделением энергии называется дыханием. Энергия высвобождается при окислении неорганических (аутотрофы) или органических (гетеротрофы) веществ.

Анаэробные микроорганизмы (анаэробы) не используют для ды­хания кислород, они живут и раз­множаются при отсутствии кисло­рода, получая энергию в результа­те процессов брожения (рис. 1.13). Анаэробами являются бактерии из рода клостридий (ботулиновая палочка и палочка нерфрингенс), маслянокислые бактерии и др.

Рис. 1.13. Анаэробные бактерии

В анаэробных условиях проходят спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение, при этом процесс превращения глюкозы в спирт, молочную или масляную кислоту происходят с выделением энергии. Около 50% выделенной энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть аккумулируется в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).

Некоторые микроорганизмы способны жить как в присутствии кислорода, так и без него. В зависимости от условий среды они могут переходить с анаэробных процессов получения энергии на аэробные, и наоборот. Такие микроорганизмы называются факультативными анаэробами.

Источник

ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Они поглощают питательные вещества и выделяют продукты жизнедеятельности через всю поверхность тела путем осмоса (осмос — это диффузия через полупроницаемую перего­родку). Осмос возникает под действием разных осмотических давлений, т. е. различий в концентрации, в двух соседних точках раствора или по обе стороны полупроницаемой перегородки. Осмотическое давление — это та энергия, с которой вещества стремятся выравнять концентрацию.

Проникновение через полупроницаемую перегородку воды и растворенных в ней веществ происходит по-разному. Вода преодолевает ее быстрее, чем растворенные вещества. Скорость проникновения веществ находится в обратной зависимости от величины частиц, находящихся в растворе.

Вода движется через перегородку в ту сторону, где концентрация веществ выше. Каждое растворенное вещество движется в ту сторону, где концентрация его ниже. Таким образом, концентрация веществ по обе стороны перегородки постепенно выравнивается.

Величина осмотического давления может быть измерена с помощью специального прибора осмометра (рис. 11). Наиболее простой моделью осмометра может служить прибор, состоящий из стеклянного резервуара, герметично закрытого с широкой стороны животным пузырем, коллоидиевой пленкой или целлофаном и имеющего отходящую вверх длинную трубку. Резервуар заполняют сахарным раствором большой концентрации и погружают в воду.

Рис. 11. Осмометр:
1 — сосуд с водой; 2 — резервуар с сахарным раствором;
3 — целлофановая пленка; 4 — уровень раствора в трубке
через некоторое время после погружения резервуара в воду

После погружения уровень сахарного раствора в трубке постепенно поднимается. Происходит это в результате того, что сахар медленно проникает через животный пузырь в воду, тогда как вода довольно быстро осмо– тирует внутрь колокола и, увеличивая объем раствора, повышает уровень его над колоколом. Высота подъема раствора в трубке характеризует разность осмотических давлений внутри и вне резервуара.

В принципе таков же механизм проникновения веществ из внешней среды в клетки микроорганизмов и выделения в нее из клеток продуктов жизнедеятельности. Однако в связи с громадной удельной поверхностью (поверхность единицы массы) клеток микробов вещества из внешней среды и обратно проникают очень быстро. В значительной мере именно этим объясняется быстрое размножение микробов и быстрая порча товаров, на которых они развиваются. Так как оболочка микробных клеток непроницаема для многих веществ пищи, нерастворимых в воде (жиры, крахмал, белки), они могут поступать в клетку только после расщепления ферментами микробов до растворимых соединений.

В жизнедеятельную микробную клетку вещества пищи поступают непрерывно, так как часть из них, проникнув в нее, вовлекается в различные биохимические процессы и под влиянием ферментов, содержащихся в клетке, превращается в другие более сложные нерастворимые или слаборастворимые вещества, которые входят в состав тела клетки. Другая же часть веществ в процессе диссимиляции превращается в более простые соединения.

Таким образом, концентрация каждого вещества в нормальных условиях никогда не уравнивается внутри и вне клетки в процессе питания, и поступление его в клетку осуществляется непрерывно. Иногда проникновение веществ в клетки микробов не может быть полностью объяснено явлениями осмоса. Установлено, что оболочка живых клеток и прилегающий к ней слой цитоплазмы обладают избирательной способностью отличать нужные вещества от ненужных. Этим объясняется способность микробов извлекать необходимые им вещества даже из растворов с чрезвычайно малой концентрацией и не пропускать внутрь клетки вредные вещества, ‘содержащиеся в среде в значительных количествах.

Внутри клеток, находящихся в нормальном состоянии, суммарное осмотическое давление, как правило, выше, чем в питательной среде. Внутриклеточное суммарное давление создается веществами, поступившими в клетку, но еще не ассимилированными, а также продуктами жизнедеятельности, еще не выделившимися из клетки, и частично веществами клеточного синтеза. Поэтому одновременно с питательными веществами в клетки поступает и необходимая им вода.

В связи с высоким осмотическим давлением внутри каждой клетки создается постоянный приток в нее воды. Как бы набухшая цитоплазма клетки с определенным напряжением давит на оболочку. Такое состояние является нормальным и называется тургором. В этом состоянии микробы, находясь на пищевых продуктах, проявляют большую активность и быстро вызывают их порчу. Если клетка оказывается в среде, где суммарная концентрация растворенных веществ намного выше, чем в клетке (растворы сахара, поваренной соли), происходит обратное явление — постепенное обезвоживание клетки: цитоплазма ее сжимается и отстает от оболочки. Такое состояние называется плазмолизом. Длительное нахождение в таком состоянии делает микробов нежизнедеятельными и даже приводит их к гибели. Этим пользуются в практике консервирования (приготовление солений, варенья и др.).

В клетки, находящиеся в среде с малой концентрацией растворенных веществ, проникает много воды, что приводит их в состояние плазмоптиса (переполненности). При этом оболочка может даже разорваться.

Требования большинства микроорганизмов к источникам питания очень разнообразны. Однако, учитывая некоторые общие особенности питания микроорганизмов, их принято делить на две группы: аутотрофы, питающиеся по типу высших растений, и гетеротрофы, питающиеся по типу животных организмов.

Аутотрофы способны усваивать углерод из углекислоты и минеральных, соединений, использовать элементарный азот. В эту группу входят многие почвенные бактерии: нитрифицирующие, клубеньковые азотофиксирующие, серо– и железобактерии и др.

Все необходимые им для построения тела вещества, в том числе белковые, они синтезируют из простых соединений.

Источниками энергии для построения сложных веществ некоторым аутотрофным микробам служат химические реакции, например окисление водорода, окисление аммиака до азотистой и азотной кислот, сероводорода до серной кислоты, окисление метана, железа и др. Эта группа микроорганизмов называется хемосинтезирующими аутотрофами.

Другие аутотрофные микробы (железобактерии, пурпурные серобактерии), а также водоросли наподобие высших зеленых растений используют для синтеза энергию солнечного света. В клетках у них есть пигменты, которые выполняют роль, сходную с ролью хлорофилла зеленых растений.

Гетеротрофы нуждаются в органических соединениях, которые служат источником углерода. К этой группе относятся многочисленные микроорганизмы, использующие органические вещества мертвой природы: сапрофиты, в частности гнилостные бактерии и возбудители различных брожений. К этой же группе относятся и паратрофы (паразиты), например многие болезнетворные микробы.

Группа гетеротрофных микробов использует для питания углеводы, спирты, белки, жиры, разнообразные органические кислоты. Некоторые из них способны усваивать парафин, а также циклические углеводороды. Под их влиянием происходит разрушение нефти и керосина.

Такое же разнообразие имеется и в отношении источников азотистого питания. В качестве таковых для разных микроорганизмов могут служить разнообразные азотистые вещества и даже молекулярный азот атмосферы.

Большинство сапрофитов используют в качестве источников азота различные белковые вещества и продукты их распада, а также минеральные азотистые соединения, например аммонийные соли, нитраты. Другие способны развиваться лишь при наличии какого-нибудь определенного источника азота. Например, для развития молочнокислых бактерий необходимы сложные органические соединения азота (растворимые белки, пептоны, аминокислоты). Еще более требовательны к источникам азота микроорганизмы- паразиты, которые развиваются только за счет белков того организма, в котором они паразитируют. Некоторые могут усваивать азот даже из цианистых соединений.

Одни и те же вещества, являясь источником питания для одних микроорганизмов, совершенно непригодны и даже ядовиты для других. Так, нитрифицирующие бактерии совершенно не развиваются в присутствии даже незначительных количеств пептонов, глюкозы.

Источник

ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Поступление питательных веществ и воды в клетку и выделение продуктов обмена во внешнюю среду происходит через всю поверхность клеток. Проникновение питательных веществ в клетку всегда осуществляется за счет явлений осмоса и диффузии.Явление осмоса всегда возникает там, где есть два раствора с разной концентрацией веществ, разделенных между собой полупроницаемой мембраной. Проникновение через полупроницаемую перегородку воды и растворенных в ней веществ происходит по-разному. Вода всегда стремится в сторону большей концентрации, чтобы разбавить раствор. Скорость движения будет тем больше, чем больше будет разность концентраций растворенных веществ по обе стороны полупроницаемой мембраны. Каждое растворенное вещество движется в ту сторону, где его концентрация ниже. Движущей силой будет возникшее осмотическое давление т. е. та энергия, с какой оба вещества будут стремиться выровнять свою концентрацию. Проникновение каждого вещества через перегородку прекращается лишь тогда, когда по обе стороны концентрация его станет одинаковой. В зависимости от концентрации веществ в окружающей среде микробная клетка может находиться в трех состояниях.

— Плазмолизесли микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объеме, и протопласт отстает от клеточной оболочки. Это явление широко используется в пищевой промышленности, когда продукты питания консервируются сахаром и солью.

Требования большинства микроорганизмов к источникам питания разнообразны. Однако, учитывая некоторые общие особенности питания микробов, их принято делить на две группы.

Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Такие микроорганизмы называют хемосинтезирующими. К ним относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотистую кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии).

2.3. ДЫХАНИЕМИКРООРГАНИЗМОВ

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:

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.

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:

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных,илистрогих, 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,илиусловными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей и др.

Источник

Медицинская микробиология: конспект лекций для вузов

Настоящим изданием мы продолжаем серию «Конспект лекций. В помощь студенту», в которую входят лучшие конспекты лекций по дисциплинам, изучаемым в гуманитарных вузах. Материал приведен в соответствие с учебной программой курса «Медицинская микробиология». Используя данную книгу при подготовке к сдаче экзамена, студенты смогут в предельно сжатые сроки систематизировать и конкретизировать знания, приобретенные в процессе изучения этой дисциплины; сосредоточить свое внимание на основных понятиях, их признаках и особенностях; сформулировать примерную структуру (план) ответов на возможные экзаменационные вопросы. Данная книга не является альтернативой учебникам для получения фундаментальных знаний, но служит пособием для успешной сдачи экзаменов.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Медицинская микробиология: конспект лекций для вузов предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Вопрос 4. Питание и особенности метаболизма бактерий

1. Химические компоненты бактериальной клетки

По химическому составу и характеру биополимеров (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды) прокариотические клетки не отличаются от эукариотических. Основными химическими компонентами бактериальной клетки являются органогены (кислород, водород, углерод, азот, фосфор).

Процесс, в ходе которого бактериальная клетка получает из окружающей среды компоненты, необходимые для построения ее биополимеров (органоидов), называется питанием.

2. Питание бактерий

Бактериальные клетки не имеют специальных органов питания, т. е. являются голофитными. Поступление питательных веществ в микробную клетку может происходить:

• за счет осмоса и диффузии по градиенту концентрации без затрат энергии;

• за счет пассивного транспорта, который также осуществляется по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков, но без затрат клеткой энергии, и отличается от диффузии большей скоростью;

• за счет активного транспорта, который идет против градиента концентрации с затратой энергии и возможным частичным расщеплением субстрата, осуществляется белками-переносчиками или ферментами — пермеазами.

По источникам углерода, необходимого для построения биополимеров, бактерии делятся на следующие группы:

• автотрофы — микроорганизмы, которые используют как единственный источник углерода углекислый газ, и не нуждаются в сложных органических соединениях.

• гетеротрофы — микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода разнообразные органические углеродосодержащие соединения (углеводы, углеводороды, аминокислоты, органические кислоты) как биологического, так и не биологического происхождения.

В зависимости от источника получения энергии микроорганизмы делятся на:

• фототрофные, способные использовать солнечную энергию,

• хемотрофные, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.

В дополнение к этой классификации в зависимости от природы доноров электронов микроорганизмы подразделяются на фототрофные литотрофы и, соответственно, хемотрофные литотрофы, т. е. использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения, а также, соответственно фото — и хемоорганотрофы, использующие только органические соединения. К последним принадлежит значительное большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды.

По источникам азота выделяют:

• азотфиксирующие микроорганизмы (способны усваивать молекулярный азот атмосферы),

• микроорганизмы, ассимилирующие неорганический азот солей аммония, нитратов или нитритов и, соответственно, называющиеся аммонифицирующими, нитратредуцирующими и нитритредуцирующими.

Однако большинство патогенных для человека микроорганизмов способны ассимилировать только азот органических соединений.

Микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.) из указанных компонентов, называются прототрофами.

Микроорганизмы, не способные синтезировать какое-либо из необходимых соединений, и ассимилирующие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного), называются ауксотрофами по этому соединению. Чаще всего ими являются патогенные или условно-патогенные для человека микроорганизмы.

3. Метаболизм бактерий

Метаболизм (обмен веществ) бактерий представляет собой совокупность двух взаимосвязанных противоположных процессов катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (диссимиляция) — распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) — синтез веществ с затратой энергии.

Особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

• его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что возможно обусловлено гораздо большим соотношением поверхности к единице массы, чем у многоклеточных;

• процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;

• субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк — от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества — загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения);

• бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов — это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

• экзоферменты — ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (например, протеазы, полисахариды, олигосахаридазы);

• эндоферменты — ферменты бактерий, действующие на субстраты внутри клетки (например, ферменты, расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т. е. для одних — репрессируется, а для других — индуцируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствующего субстрата в среде (например, бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными.

Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от наличия субстрата в среде, называется конститутивными (например, ферменты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда содержатся в микробных клетках в определенных концентрациях.

Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на специальных питательных средах, содержащих то или иное соединение в качестве субстрата для трансформации. Такой подход позволяет судить об обмене веществ путем более детального изучения процессов различных видов обмена (белков, углеводов) у микроорганизмов.

Источник