Тема 13. Питание микроорганизмов

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.