Тема 13. Питание микроорганизмов
1. Питание микроорганизмов, физиологические группы питания
2. Химические вещества как питательные субстраты
3. Особенности ферментов микроорганизмов
1. Питание микроорганизмов, физиологические группы питания
Питание клеток микроорганизмов – процесс включения в метаболические реакции любого характера тех или иных соединений внешней среды.
Питательное вещество - любое химическое вещество, способное удовлетворять энергетические и/или биосинтетические потребности клетки.
Принципы питания микроорганизмов:
1. Все химические элементы, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов, подразделяют на макро - и микроэлементы. Из макро - и микроэлементов бактерии синтезируют все вещества, необходимые для построения клетки: белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, липиды и т. д.
2. Многие микроорганизмы нуждаются в факторах роста. Эти микроорганизмы называются ауксотрофные. Прототрофные микроорганизмы способны синтезировать все необходимые для себя соединения.
3. В зависимости от использования источников углерода все микроорганизмы разделяются на автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы – способны усваивать СО2 воздуха в качестве единственного источника углерода и синтезировать из него органические вещества своих клеток (например, многие фототрофы). Гетеротрофы – организмы, которые нуждаются в готовых органических веществах. Наибольшая степень гетеротрофности присуща облигатным внутриклеточным паразитам. Гетеротрофные организмы, которые от других организмов не зависят, но нуждаются в готовых органических соединениях, называются сапрофиты.
4. Как автотрофы, так и гетеротрофы подразделяют на две группы в зависимости от того, какой источник энергии они используют: фототрофы используют энергию света и трансформируют ее в химическую, хемотрофы используют энергию реакций окисления-восстановления.
5. Органотрофы - организмы, которые используют в качестве доноров электронов органические соединения, литотрофны - организмы, способные использовать в качестве доноров электронов неорганические вещества.
2. Химические вещества как питательные субстраты
Источники углерода и энергии. Организмы, которые получают энергию с помощью фотосинтеза или путем окисления неорганических соединений, способны в большинстве своем использовать СО2 в качестве главного источника углерода. Эти С-автотрофные организмы восстанавливают СО2. Все остальные организмы получают клеточный углерод главным образом из органических веществ (например, целлюлозы и крахмала, белков и т. д.).
Азот. Одним из основных элементов, из которых построены клетки микроорганизмов, является N (наряду с С, Н2, О2 ). Большинство прокариот потребляют азот в восстановленной форме в виде солей аммония и аммиака. Многие бактерии используют органические азотсодержащие вещества – белки, аминокислоты, мочевину, разрушая их с выделением аммиака. Окисленные формы азота: нитраты, нитриты – также могут усваиваться различными группами бактерий. Ряд бактерий способны использовать атмосферный азот.
Потребности в источниках серы и фосфора. Сера входит в состав аминокислот, витаминов и кофакторов. В природе сера находится в форме неорганических солей, в виде молекулярной серы, входит в состав органических соединений. Большинство прокариот потребляют серу в форме сульфата, который при этом восстанавливается до уровня сульфида. Однако некоторые группы прокариот нуждаются в восстановленных соединениях серы. Фосфор – необходимый компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов. Основной формой фосфора в природе являются фосфаты.
Необходимость ионов металлов. Всем прокариотам необходимы металлы, которые могут использоваться в форме катионов неорганических солей. Некоторые из них (магний, кальций, железо) нужны в высоких концентрация, потребность других (цинк, медь и др.) невелика. Роль металлов определяется тем, что они входят в состав основных клеточных метаболитов.
3 Ферменты микроорганизмов
Ферменты - это вещества белковой природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими специфичными катализаторами.
Ферменты бактерий локализуются в основном в цитоплазме, некоторые содержатся в ядре и клеточной оболочке. Микроорганизмы могут синтезировать разнообразные ферменты из шести известных классов. Активность ферментов зависит от температуры среды, рН и других факторов.
Особенности ферментов микроорганизмов:
1. Работа ферментных систем выполняются с высокой интенсивностью.
2. Микроорганизмы характеризуются большой скоростью прироста биомассы. Это позволяет на протяжении коротких промежутков времени (за 1-3 суток) получать огромное количество сырья для выделения ферментов.
3. Содержание отдельных ферментов в клетках микроорганизмов может быть очень высоким: достигать до 40-60% от всех растворимых белков.
4. Ферменты микроорганизмов классифицируются на экзоферменты и эндоферменты. Экзоферменты в большом количестве выделяются в культуральную среду. Эндоферменты участвуют в реакциях обмена веществ.
5. Различают конститутивные и индуктивные ферменты. Конститутивные ферменты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий существования. Это в основном ферменты клеточного обмена: протеазы, липазы и др. Индуктивные ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде, и когда микроорганизм вынужден его усваивать.
6. Способность микроорганизмов развиваться в экстремальных условиях, т. е. при низких и высоких температурах, в отсутствие молекулярного кислорода, в кислых и щелочных средах, при высоких концентрациях солей, определяется часто характером их ферментов.
7. Большой интерес как продуценты ферментов представляют анаэробные микроорганизмы. Многие анаэробные бактерии превращают аминокислоты, пурины, пиримидины и другие субстраты путями, отличными от тех, которые известны для аэробных микроорганизмов, животных и растений.
8. Ряд ферментов обнаружены только у микроорганизмов. К таким ферментам относятся: рацемазы аминокислот; кератиназы, гидролизующие белки – кератины, входящие в состав волоса, перьев, копыт; нитрогеназа, которая участвует в образовании аммиака из молекулярного азота и другие.
Характерной особенностью некоторых бактерий является их способность окислять неорганические субстраты: аммиак, нитриты, сульфид и другие соединения серы, а также двухвалентное железо, что связано с наличием у них особых ферментов. Именно благодаря способности ферментов, образуемых микроорганизмами, разрушать компоненты пластмасс, пестициды и другие ядовитые соединения, возможна очистка окружающей среды от ряда веществ-загрязнителей.
Штаммы-продуценты и их культивирование. Среди выделенных из различных источников штаммов микроорганизмов найдены многие активные и производственно ценные продуценты ферментов. Однако наиболее высокопродуктивные штаммы во многих случаях получены с помощью различных физических и химических мутагенов, генноинженерными способами.
Использование ферментов микроорганизмов: они применяются в различных областях промышленности, сельского хозяйства, медицины. Применение ферментов в сельском хозяйстве: 1) использование в рационах животных; 2) обработка кормов ферментами для повышения их усвояемости. Микробные ферменты используются в различных областях медицины как лечебные вещества и при проведении клинических анализов. Использование микробных ферментов в медицине весьма перспективно, но требуется высокая степень очистки ферментов, а также из-за белковой природы веществ, необходимо проверять их на антигенное и аллергенное действие.
