Микробиология как наука

Поскольку в ходе этих процессов  увеличивается биомасса, происходит построение организма, то процесс питания иначе называют конструктивный обмен (строительный). Все процессы биосинтеза веществ требуют затрата энергии. Эта энергия поступает в клетку в виде АТФ из процессов катаболизма.

Катаболизм – это процессы расщепления и, главным образом, окисления сложных веществ пищи, который сопровождается выделение энергии АТФ. Основным процессом катаболизма является окисление веществ, которое осуществляется в ходе дыхания клетки, поэтому процессы катаболизма приравниваются к процессам дыхания или энергии обмена, т.к. основным назначением дыхания является получение энергии.

Одно и тоже вещество пищи может  использоваться клеткой, как в процессе анаболизма, так и в процессе катаболизма, но большая часть всех питательных веществ расходуется на процесс катаболизма. Конечные продукты обмена веществ называются метаболитами. Накапливаясь в окружающей среде в больших количествах, они приводят к гибели м/о. Поэтому при выращивании хозяйственно полезных м/о метаболиты нужно удалять из зоны роста. Все живые организмы имеют свои особенности обмена веществ. Но для м/о описаны 2 основные общие особенности обмена веществ.

1. Необычно высокая скорость обмена веществ. 1 микробная клетка в благоприятных условиях за сутки может потреблять и перерабатывать питательных веществ в 30-40 раз больше собственного веса. Этим объясняется большая скорость роста м/о, а также порча пищевых продуктов, обсемененных микробами.
2. Многообразие путей анаболизма.

Химический состав м/о

 

По химическому составу микробная  клетка очень близка к любой живой клетке (особенно к растительной). Микробная клетка на 75-85% состоит из воды. 15-25% - сухой остаток. Значительный процент воды говорит о ее большом физиологическом значении. Вода в микробной клетке может находится в 2-х видах: свободном и связанном.

Свободная вода является растворителем  питательных веществ, создает водную фазу для протекания химических реакций, может сама участвовать в протекании биохимических реакций (гидролиз). При потере свободной воды м/о не гибнет, а переходит в состояние анабиоза – это состояние, когда клетка жизнеспособна, но не жизнедеятельна.

Связанная вода прочно связана со структурами клетки и поэтому  ее потеря приводит к разрушению структуры и гибели клетки. Она не является растворителем питательных веществ, не участвует в реакциях, но необходима в формировании клеточных структур.

Сухой остаток состоит из органических и минеральных веществ.

Органические вещества на 98% построены  из 4-х основных элементов: углерода, кислорода, азота, водорода. Эти элементы называются элементами органогенами (творящие органику). К важнейшим органогенным веществам относят белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, пигменты.

1. Белки выполняют важные функции  в клетке, входят в состав ЦПМ,  рибосом, выполняют каталитическую функцию, являясь ферментами. Некоторые м/о могут накапливать большое количество белка (дрожжи). Это свойство используется для получения белково-витаминных концентратов.

2. Липиды входят в состав ЦПМ,  а также могут накапливаться  в виде в виде капелек жира как ЗПВ. Выполняют энергетическую функцию при голодании клетки.

3.Углеводы у бактерий чаще  всего сосредоточены в капсуле,  выполняют защитную функцию, у грибов, дрожжей – в виде гликогена, который выполняет энергетическую функцию при голодании клетки.

4. Нуклеиновые кислоты ДНК, РНК. ДНК входит в состав ядернего вещества, выполняют генетическую функцию. РНК находится в рибосомах, цитоплазме, участвует в биосинтезе белка.

5. Пигменты или красящие вещества  входят в состав хроматоформ,  обеспечивают окраску м/о.

Все органические вещества при сжигании клетки улетучиваются в виде оксидов, диоксидов, аммиака и др. газов.

Минеральные вещества при сжигании клетки не улетучиваются, а переходят  в золу и поэтому называются иначе  зольными элементами. Их количество невелико, составляет 2-5% от веса сухого остатка. К ним относятся: натрий, калий, кальций, сера, фосфор, железо, медь, магний, молибден.

Минеральные вещества выполняют ряд  важных функций:

1. поддерживают осмотическое давление клетки;
2. входят в состав небелковой части ферментов;
3. могут оказывать влияние на активность ферментов, выступая либо в качестве активаторов, либо ингибиторов ферментов, т.е. тем самым регулируют обмен веществ в микробной клетке.

 

Процессы питания или анаболизма или строительного конструктивного  обмена

 

1. Пути поступления питательных в-в в микробную клетку
2. Типы питания м.о.

 

1. У м.о. нет специальных органов для приема пищи и поэтому питательные в-ва поступают через всю поверхность тела. Чем больше поверхность тела, тем интенсивнее происходят процессы питания, а значит и всего  обмена в-в, вот почему палочки наиболее распространенная группа бактерий.
2. Существует два основных способа поступления питательных в-в в клетку:

1 – осмос; 2 – адсорбция.

 

Осмос – в клетку поступают минеральные  вещества, растворенные в воде. Движущей силой осмоса является разность концентрации растворов (осмотическое давление) по обе стороны полупроницаемой мембраны – ЦПМ. Микробная клетка живет на субстрате, в котором осмотическое давление несколько меньше осмотического давления клетки. Поэтому по законам осмоса для выравнивания осмоса по обе стороны ЦПМ в клетку будет направлен ток воды с растворенными в ней минеральными элементами, причем каждое в-во диффундирует в соответствии со своим порциальным осмотическим давлением. Из-за поступления тока воды в клетку цитоплазма будет нахходиться в набухшем , напряженном состоянии, плотно прижата к клеточной оболочке, оказывая постоянное давление. Такое жизненное состояние клетки называется тургором клетки. Потеря тургора приводит либо к замедляемости ж.д. клетки, либо к ее гибели.

Пример: 1) сли клетку поместить  на среду, осмотическое давление которой  больше осмотического давления  в клетке (сильно соленый или сильно сладкий субстрат), то согласно законам  осмоса вода начинает выходить из клетки. Цитоплазма обезвоживается, отстает от клеточной стенки, сворачивается в клубочек. Такое явление  потери тургора называется явлением плазмолиза. Плазмолиз обратим, поэтому клетка не погибает, а переходит в состояние анабиоза.

2) Если клетку поместить на субстрат, осмотическое давление которого во много раз меньше осмотического давления клетки, например дистиллированную воду, то вода начинает неограниченно поступать в клетку, цитоплазма переводняется, оболочка не выдерживает – разрывается, клетка гибнет. Такое явление называется плазмоптизом. Он всегда приводит клетку к гибели.

Т.о. для нормального хода процесса питания клетки необходимо строгое  соответствие между осмотическим давление клетки и субстрата, при котором клетка находится в состоянии тургора.

 

Адсорбция

Путем адсорбции в клетку  поступают органические в-ва, растворенные в воде с молекулярной массой меньше 1000. При этом питательные вещества вначале сорбируются на клеточной оболочке, затем к ним изнутри подходят специальные белки ферменты –переносчики  - пермеазы, которые связываются с этими веществами и протаскивают их в цитоплазму. Пермиазы обладают специфичностью действия. Т.е. каждый из них способствует прохождению в цитоплазму строго определенного вещества. Если адсорбция  происходит по градиенту концентрации, то она не требует затраты энергии АТФ и поэтому называется облегченной диффузией. Если адсорбция происходит против градиента концентрации, то это требует затраты энергии АТФ и такой процесс называется активным транспортом. Решаюшую роль в процессе поступления питательных в-в в клетку принадлежит полупроницаемой  ЦПМ, клеточная стенка выполняет лишь функцию механического сита.

 

2 Типы питания м.о.

Из химического состава клетки известно, что сухой остаток состоит  из 4 элементов органогенов С, О, азота, Н и минеральных веществ. Потребность клетки в кислороде и водороде покрывается за счет воды и кислорода воздуха. А углерод и азот и минеральные в-ва поступают по разному. Поэтому различают

• углеродное питание
• азотное
• минеральное.

Углеродное питание

По углеродному питанию м.о. разделяют  на

2  большие группы:

1 Автотрофные 

2 Гетеротрофные

 Они различаются друг от  друга по источнику углерода. У автотрофов источником углерода является СО₂, Н₂СО₃ или ее соли, а у гетеротрофов - источником являются готовые органические соединения - углеводы. Автотрофные м.о. или самостоятельно питаются. М.о. могут самостоятельно синтезировать углеводы из СО₂ и воды, затрачивая при этом определенное кол-во энергии. В зависимости от источника энергии автотрофные м.о.    подразделяются на 2 подгруппы фототрофные и  хемотрофные.

Фототрофные м.о. могут самостоятельно синтезировать углеводы из углекислого газа и воды за счет энергии солнечного света, которую они поглощают с помощью специальных пигментов - это бактерий хлорофил. бактериопурпурин, каратиноиды, сод-ся в хроматофорах, т.е. фототрофные м.о. осуществляют процесс близкий очень процессу фотосинтезу у растений.

Примерами фототрофов являются микроскопические зеленые водоросли, пурпурные серобактерии. Хемотрофные м.о.  могут самостоятельно синтезировать углеДоды из углекислогогаза и воды,  потребляя хиЖчёскую   энергию   окисления   минеральных   веществ.   Такой   процесс   синтеза   углеводов   называется хемосинтезом, а бактерии осуществляющие этот процесс называются хемосинтезирующими. Впервые процесс был описан русским ученым Виноградским, который выделил из почвы возбудителей этого процесса. Примерами являются водородые бактерий (окисляют водород до воды)), бесцветные серобактерии -получают энергию при окислении сероводорода до серной кислоты, железобактерии (окисляют закисное железо в окисное).

Гетеротрофные м.о. не могут самостоятельно синтезировать углеводы и поэтому получают их в готовом виде из внешней среды. В зависимости от места получения готовых углеводов гетеротрофы подразделяются на 2 гр: Сапрофиты или метатрофы

   паразиты или паратрофы»

Сапрофиты получают готовые углеводы из отмерших органических остатков (опавшие  листья).

Сапрофитные м.о. живут в почве, воде. Они способны расти на искусственных питательных^ средах. Это гнилостные бактерии, разлагающие белки, дрожжи, множество плесневых грибов. ЗГаразиты получают готовые углеводы, внедряясь в клетку живущего организма, питаются веществами этой 1шетки~й~ зачастую приводят эту клетку к гибели. Паразитов нельзя вырастить на искусственных питательных средах. Примеры: спорынья, вирусы.

Азотное питание

По азотному питанию м.о. разделяются на 2 гр.: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы

Они различаются по источнику азота. У аминоавтотрофов источником азота является минеральный азот нитратов, нитритов, молекулярный азот воздуха. А также простейший органический азот типа мочевины. Аминоавтотрофы способны самостоятельно синтезировать аминокислоты, белки, азотистые вещества из указанных источников. К таким микробам относятся нитрифицирующие бактерии способные окислять аммиак до нитритов и нитратов. Пример: нитрифицирующие бактерии ( аммиак до      ) Азотфиксирующие

Источником азота у аминргетеротрофов_являются готовые азотистые вещества, т.к. они не могут синтезировать

эти в-ва, а получают их в готовом  виде их внешней среды.

Подразделяют     на     2     подгруппы     в     зависимости     от     места     получения     готовых     азотистых

соединений: аминосапрофиты и аминопаразиты.

Аминосапрофиты получают готовые азотистые в-ва, разлагая отмершие органические останки. Пример. -

гнилостные бактерии.

Аминопаразиты получают готовые азотистые  в-ва, внедряясь в живую клетку организма хозяина , паразитируя

в ней (вирусы, фаги, болезнетворные м.о.)

Минеральное питание

Минеральные в-ва нужны клетке в  ничтожных количествах. Однако нехватка их или отсутствие хобя бы 1-го из них  приводит либо к замедлению роста, либо к полной гибели м.о. Это объясняется большим значением минеральных веществ в жизни клетки (химический состав). Источником минеральных веществ являются различные соли, фосфор, (сернокислые, азотнокислые и т.д.), которые поступают в клетку, путем осмоса, будучи растворенными в воде.

По степени надобности организму  минеральные в-ва делят на три  группы:

1. - макроэлементы, к ним относят натрий, калий, кальций, фосфор, сера. Необходимы клетке в концентрации 1 
   г/л . калий необходим для нормального протекания процесса дыхания. Натрий регулирует поступление 
   питательных веществ в клетку, фосфор - участвует в процессах синтеза нуклеиновых кислот АТФ, сера - 
   участвует в синтезе серосодержащих аминокислот .

2 - микроэлементы (железо, медь, магний,       )Эти элементы входят в состав  небелковой части ферментов, 
участвующих в процессах дыхания. Эти элементы необходимы клетке в концентрации 1 мг/л.

3- ультрамикроэлементы ( В, фтор, иод и практически все элементы  периодической системы Менделеева) 1мкг/л

м.о. паразиты портят все эти в-ва, внедряясь в живую клетку. А  выращивание м.о. сапрофитов происходит в лабораторных условиях на специальных субстратах, называемых питательными средами