Микробиология как наука

 

 Требования, предъявляемые к  питательным средам 

1. Они должны быть полноценными по химическому составу. Содержать в себе источники углерода 
   (крахмал, сахара), азота (белки, аминокислоты) и минеральные в-ва в необходимых концентрациях. 
   Питательные   среды   должны   содержать   ростовые   в-ва,   которые   ускоряют   развитие   бактерий 
   (незаменимые аминокислоты, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания) 1 мг/л.
2. Питательные  среды  должны  иметь  строго  определенное  рН.   Для  культивирования  бактерий - 
   нейтральная среда рН 7 и выше. Для плесневых грибов и дрожжей рН 3 - 6.
3. должны содержать много влаги (воды) для нормального хода процесса питания, т.е. поступления в-в в 
   клетку.
4. Быть стерильными.

Классификация питательных  сред см. в методичке лабораторная работа 4. Дыхание м.о. или процесс  катаболизма или энергетического  обмена.

Дыхание - это процессы окисления  сложных веществ пищи с выделением энергии ранее затраченной на синтез этих сложных соединений, т.е. главное назначение – получение энергии. Дыхание иначе называется биологическим окислением. В природе окисление может осуществляться 3 путями:

1. - непосредственным присоединением кислорода к окисляемому в-ву.
2. - дегидрированием, т.е. путем переноса водорода от одного в-ва к другому
3. - путем переноса электронов.

 

Дыхание или биологическое окисление  осуществляется вторым путем. Поскольку атом водорода можно представить как совокупность протона и электрона, то всякое перемещение водорода будет сопровождаться и перемещением электрона. Вещество, теряющее водород называется донором, оно окисляется, а вещество, принимающее водород называется акцептором , восстанавливается. Процесс этот протекает при участии ферментов переносчиков (дегидрогеназ).

В зависимости от конечного акцептора  водорода различают 2 типа дыхания, присущее м.о.:

1. аэробное дыхание, когда конечным акцептором водорода является кислород воздуха и образуется вода.
2. Анаэробное, когда конечным акцептором водорода является любое другое вещество, способное воввтанавливаться, кроме кислорода.

В зависимости от типа дыхания, присущего  м.о. микробы подразделяют на 3 группы:

1. облигатные или строгие аэробы.  м.о, которым присуш только  аэробный тип дыхания, поэтому они живут там, где есть воздух(пример –плесневые грибы)
2. облигатные или строгие анаэробы – м.о, которым присуще только анаэробное дыхвние. Они живут только в безвоздушном простронстве. Кислород для них яд (пример – клостридии).
3. Факультативные или нестрогие анаэробы. М.о, которым присущ анаэробный тип дыхания, но кислород не является для них ядом, т.е. они могут переключать тип дыхания с анаэробного на аэробный, если попадают в воздушную среду. (пример дрожжи, МКБ, кишечные м.о.)

 

Аэробные м.о.  при дыхании могут окислять различные субстратные белки, жиры, но лучше всего углеводы, глюкозу. Одни м.о. могут полностью окислять субстраты (углеводы) до конечных продуктов распада, высвобождая при этом максимальное количество энергии, ровно столько, сколько было затрачено ее на синтез  окисляемого вещества.               

                           С₆Н₁₂О₂+ 6 О₂                           6СО₂+6Н₂О+2,87 *10⁶Дж.энерг.

Это уравнение полного окисления  глюкозы или полного аэробного  дыхания. Оно прямопротивоположно уравнению фотосинтеза. При этом образуются конечные продукты распада глюкозы: СО₂и Н₂О и выделилось максим. кол-во энергии, т.е. столько энергии, сколько было затрачено на синтез глюкозы из СО₂ и Н₂О.

Однако существуют некоторые аэробные м.о, которые могут окислять глюкозу  в присутствиии кислорода не до конечных продуктов расщепления глюкозы СО₂ и Н₂О, а до каких то промежуточных в-в многие из которых имеют важное хозяйственное значение(уксусная и лимонная к-ты). При этом в окружающую среду выделяется гораздо меньше энергии, т.к. часть ее будет находится в недоокисленном продукте. Чем сложнее этот продукт по химической природе, тем меньше энергии выделяется при окислении. Такой процесс неполного окисления в-в в присутствии кислорода называется неполным аэробным дыханием или окислительным брожением. При окислительным брожении образуется в основном продукты, имеющие большое н/х значение- уксусная кислота, лимонная, яблочная.

(Классический пример – уксусно-кислое  брожение, т.е. превращение этилового  спирта под действием уксусно-кислых  бактерий С₂Н₅ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О + 0,48 *10⁶ Дж

 

Анаэробные м.о.

Они осуществляют процесс анаэробного  дыхания или брожения. В зависимости  от конечных продуктов различают спиртовое, глицериновое, молочнокислое, пропионовокислое и другие виды брожения. При этом образуются довольно сложные конечные продукты брожения и поэтому энергии в окружающую среду выделяется гораздо меньше, чем в случае аэробного дыхания.   От 0,1 до 0,068 Дж энергии.

( Например, спиртовое брожение:

С₆Н₁₂О₆= 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 0,1 *10⁶ Дж

молочнокислое

С₆Н₁₂О₆= 2СН₃СНОНСООН + 0,075*10⁶ Дж

Маслянокислое брожение

С₆Н₁₂О₆= С₃Н₇СООН + 2СО₂ + 2Н₂ +0,068 *10⁶ Дж)

 

Энергетическая ценность процессов  дыхания

 

Вся свободная энергия, выделившаяся в ходе дыхания, подразделяется на три  вида:

1 – химическая 2 – тепловая 3 – световая

Химическая энергия. Она запасается клеткой в виде высокоэнергетических мол-л АТФ. Это единственный вид энергии, который в последствии может быть использован клеткой  (процесс биосинтеза, поступление пит. В-в в клетку, передвижение требуют затрат энергии АТФ). Поэтому  энергетическая ценность дыхания рассчитывается именно по образованию химической энергии (АТФ) Чем больше в ходе дыхания образуется  химической энергии, тем выше энергетическая ценность и наоборот. Наиболее энергетически ценным являются процессы  аэробного дыхания. На первом месте стоит процесс полного аэробного дыхания или окисления, т.к. из всей выделившейся энергии 50% накапливается в виде химической.

На втором месте – процессы неполного  аэробного дыхания. 15-20% зап-ся в  АТФ, при уксусно-кислом 17%.

Наименее энергетически выгодным явл процессы анаэробного дыхания  или брожения. В зависимости от вида брожения в виде АТФ накапливается от 2 –4%. Остальная энергия при брожении  выделяется   в виде тепла или света.

 

Тепловая

Она не может запасаться клеткой впрок, т.к. выделяется в окружающую среду в виде тепла. В основном тепловая энергия образуется при анаэробном дыхании. Выделением этой энергии объясняется разогревание бродящих субстратов.

Световая энергия

Не запасается клеткой впрок, т.к. Она выделяется клеткой в виде квантов света, высвечивается клеткой и не может запасаться впрок. Выделением этой энергии объясняется свечение гнилых пней обсемененных м.о, способных выделять св.энергию, а также свечение морской воды, мяса, хранящегося в холодильниках вместе с морской рыбой.

Причины самосогревания, самовозгорания органических субстратов

 

Большое выделение тепловой энергии, образующееся при дыхании м.о,  может приводить к повышению температуры субстратов, на которых эти м.о. живут. Температура может повышаться до 40-50 С. Такой процесс называется самосогреванием субстратов. Способствует самосогреванию увлажнение субстрата и хранение его в анаэробных условиях. Самосогреванию подвергается влажное зерно, сено, торф, хлопок, навоз, грибы и ягоды. Самосогревание может приводить к самовозгоранию субстратов, когда в клетках начинаются  автокаталитические процессы, температура повышается до 100 С и субстрат может вспыхнуть. Это наносит большой урон н/х. Во избежание этих нежелательных процессов необходимо:

1. хранить субстраты в сухом месте
2. тщательно перелапачивать, ворошить, аэрировать субстарты для отвода образовавшейся тепловой энергии и создания неблагоприятных аэробных условий для развития анаэробных м.о., основных поставщиков тепловой энергии.

Ферменты м.о. (кратко)

Ферменты – это специфические  белки, способные ускорять химические реакции, т.е. это биокатализаторы. По своей химической природе ферменты – белки. Они могут быть однокомпонентными, состоять только из белковой 0части, называемой апоферментом, и двухкомпонентным, состоять из белковой части апофермента и небелковой части, называемой коферментом или простетич группой. Белковая часть отвечает за специфичность действия фермента, а небелковая часть обеспечивает каталитическую активность. Ферменты обладают рядом свойств, которые отличают их от неорганических катализаторов. К основным свойствам относят:

1 – специфичность действия ферментов,  т.е. они катализируют либо  какую то одну химическую реакцию  или сходную группу реакций.

2 – активность ферментов  зависит от температуры, т.е. ферменты обладают свойством термолабильности.

С увеличением температуры активность фермента возрастает, но не постоянно, а до определенной точки, а затем  выходит на плато. Это связано  с белковой природой ферментов, их денатурацией. Температура, при которой фермент проявляет наибольшую активность называется оптимальной температурой.

3 – активность фермента зависит  от кислотности среды, т.е. рН  в которой он работает.

 

     График зависимости  носит колоколообразный характер.

 

РН среды, при котором фермент  обладает максимальной активностью  называется оптимальной рН для данного фермента. Фермент активен вблизи своей изоэлектрической точки.

4 – активность фермента зависит  от наличия активаторов и ингибиторов.  Это очень важно для м.о, т.к. минеральные вещества, поступающие в клетку могут выступать либо в качестве активаторов, либо ингибиторов и тем самым регулируют весь ход обмена веществ. (активаторы ускоряют химическую реакцию, увеличивают активность фермента. Ингибиторы уменьшают).

Это  имеет большое значение для м.о, поскольку минеральные  в-ва, поступающие в клетку могут  выступать  как активаторы и ингибиторы и регулируют ход обмена в-в в клетке.

Все реакции, происходящие в клетке катализируются ферментами. По типу реакций, катализирующих ферментами они подразделяются на 6 классов:

1 Оксидоредуктазы – это ферменты, катализирующие рекции окислит.-восстановит.

2. Трансферазы, катализирующие  пернос каких то групп.

3. Гидролазы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза.
4. Лиазы – ферменты, катализирующие реакции негидролитического расщепления в-в, идущие без участия воды.
5. Изомеразы - ферменты, катализирующие реакции изомеризации.
6. Лигазы или синтетазы - ферменты, катализирующие реакции синтеза следующих в-в, идущих с учетом АТФ.

 

У м.о найдены все 6 классов ферментов. Ферменты играют исключительно важную роль в жизни клетки, т.к. ни одна реакция в клетке не может проходить  без их  участия. Ферменты м.о подразделяются на 2 специфические группы:

1 – по месту локализации:  ферменты могут быть экзоферментами и эндоферментами.

2 – по времени их биосинтеза  или образования: конституитивные  и индуцибельные (адаптивные).

Экзоферменты. Это ферменты, которые  могут выходить при жизни клетки в окружающую среду. Это чаще всего ферменты гидролиза, которые расщепляют сложные в-ва до низкомолекулярных, способных проходить через поры клеточной стенки, т.е. эти ферменты участвуют во внеклеточным переваривании пищи.

Эндоферменты – это ферменты, прочно      связаны со структурами клетки и не способны при жизни клетки попадать в окружающую среду. Совместное действие экзо и эндоферментов может приводить к явлению автолиза микробной клетки ( авто-сам, лиз –переваривание).

Совместное действие эндо и экзоферментов  может приводить к явлению  автолиза микробной клетки, которое наступает после гибели микроба. Это саморастворение клетки  под действием собственных ферментов наступает после гибели клетки. При этом ферменты, оставаясь некоторое время жизнедеятельными начинают переваривать структуры самой клетки, в результате чего клетка растворяется.

Ферменты из автолизировавших клеток могут поступать в окружающую  среду и продолжать действовать на органические в-ва. Этим объясняется порча пищевых продуктов, густо обсемененных м.о, но хранящихся в условиях, препятствующих развитию микробов.

Конституитивные ф-ты , которые синтезируются  микробной клеткой постоянно, не зависимо от присутствия в окружающей среде в-ва, на которые они действуют. К таким ферментам относят ферменты дыхания.

Индуцибельные ферменты, которые синтезируются микробной клеткой не постоянно, а лишь в ответ на присутствие в субстрате в-ва, на  который они действуют. Такое в-во называется  индуктором, а ферменты – индуцибельными. Например, в ответ на присутствие в питательной среде крахмала микробная клетка начинает синтезировать фермент амилазу, разлагающую крахмал. При исчезновении индуктура-крахмала – синтез фермента амилазы прекращается. Такие  ферменты позволяют клетке расширить диапазон питания, приспосабливаться к новым условиям жизни. И поэтому она называются адаптивными или приспособительными.

 

Использование микробных  ферментов в промышленности

Человек издавна использовал ферментативную активность м.о. в своих целях: получал тесто для хлеба, сквашивал овощи. В настоящее время перспективно использовать чистые ферменты, которые позволяют не только увеличить выход продуктов, но и улучшить его качество. Ферменты можно получать из растений, животных и м.о. экономически целесообразнее получать ферменты из м.о., т.к. микроорганизмы: