Фізіологія мікроорганізмів

План:

 

1. Мікроорганізми (ст. 2)
2. Харчування мікроорганізмів ( ст. 2)
3. Поділ мікроорганізмів за використанням вуглецю (ст. 2)

3.1. Автотрофи, або прототрофи (ст. 3)

    3.2.  Гетеротрофи (ст. 3)

4. Дихання мікроорганізмів (ст. 3)

     4.1. Поділ  мікроорганізмів за типом дихання : аероби та анаероби (ст. 3 – 4)

5. Ферменти мікроорганізмів  (ст. 4)

6. Поділ ферментів мікроорганізмів на класи :

                   6.1 оксидоредуктази;

 6.2 трансферази;

 6.3 гідролази;

 6.4 ліази;

 6.5 ізомерази;

      6.6 лігази (синтетази) (ст. 4 – 7)

7. Розмноження мікроорганізмів  (ст. 7)

8. Світіння мікроорганізмів  (ст. 7)

9. Ароматоутворення (ст. 7)

10. Токсиноутворення (ст. 8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мікроорганізми або  мікроби — мікроскопічні організми, тобто занадто маленькі, щоб бути видимими неозброєним оком. Вивченням мікроорганізмів займається мікробіологія. Мікроорганізми можуть бути бактеріями, археями, грибами або деякими іншими (ніж грибами) еукаріотами, але не вірусами або пріонами, бо останні загалом класифікуються як неживі, хоча мікробіологія вивчає і ці об'єкти. Мікроорганізми часто описуються як одноклітинні організми; проте, деякі одноклітинні бактерії або протісти видимі неозброєним оком, а деякі багатоклітинні види мікроскопічні.

Фізіологія мікроорганізмів  вивчає функції, а також біохімічні процеси, що відбуваються в їхніх клітинах і навколишньому середовищу. Конкретно фізіологія мікроорганізмів розглядає їх харчування, дихання, розмноження, рух, спорообразование та перетворення речовин.

Харчування  мікроорганізмів

Харчування мікроорганізмів  відбувається при посередництві  дифузії (самостійне проникнення) і  осмосу (проникнення під впливом  чого-то) рідких поживних речовин крізь  напівпроникну оболонку клітини  і виділення назовні продуктів  обміну. Швидкість процесу проникнення поживних речовин через оболонку залежить від будови клітини, в тому числі від концентрації поживних речовин у ній і навколишньому середовищу, і зовнішніх умов. Більшість мікроорганізмів живе у сольових розчинах, що наближаються до 0,5%-ному розчину хлористого натрію, що забезпечують осмотичний тиск клітинного соку в межах 3-6 атмосфер. При внесенні мікроорганізмів у концентровані гіпертонічні розчини кухонної солі або цукру вода з них відсмоктується назовні і протоплазма клітин зморщується. Це явище називається плазмолізу. У таких умовах мікроорганізми припиняють розвиток і в більшості випадків гинуть. На цьому явищі заснована тривале зберігання продуктів: соління (грибів, м'яса), консервування (плодів, овочів), варення (фруктів в цукрі). Однак зустрічаються осмофільние мікроорганізми, які переносять високі концентрації солей, Сахаров, меду.

Так, деякі мікроорганізми (наприклад, водорості Dunaliena salina, Asteromonas gracilis мешкають в солоних озерах, бактерії (Leuconostoc mesenteroides) - в розчинах цукру, дріжджі (Zygosaccharomyces mellis acidi) - в меді. У них осмотичний тиск сягає 20-50 атмосфер і вище. Мікроорганізми, поміщені в гіпотонічні розчини (дистильовану воду), сильно набухають під впливом притікає ззовні води, округлюються, деякі з них розриваються. Явище набухання носить назву плазмоптіса.

Мікроорганізми для  живлення використовують найрізноманітніші  речовини. Для них необхідні мінеральні речовини (сірка, фосфор, калій, кальцій, магній, залізо) і органогени, тобто  елементи, що входять в органічні сполуки (кисень, водень, вуглець і азот). Крім того, в дуже малих кількостях для нормального розвитку мікроорганізмів потрібні мікроелементи (цинк, бор, кобальт, марганець), які містяться у водопровідній воді і мінеральних солях. Для розвитку деяких мікроорганізмів необхідні також особливі речовини - стимулятори росту, або ростові речовини, які містяться в екстрактах дріжджів, кукурудзяному екстракті, проростках рослин. У цих речовинах є необхідні для життя вітаміни, амінокислоти та близькі до них речовини.

Кисень і водень мікроорганізми отримують в основному з води і органічних сполук. Деякі бактерії засвоюють і вільний кисень повітря.

За способом використання вуглецю мікроорганізми діляться на:

• автотрофів (автос - сам, трофей - харчування)
• гетеротрофів (гете - інший).

 

Автотрофи, або прототрофи (протос - простий), засвоюють вуглець  з вуглекислоти повітря. На відміну  від зелених рослин, що поглинають вуглекислоту за допомогою фотосинтезу, тобто енергії сонячних променів, мікроорганізми засвоюють вуглекислоту за допомогою хемосинтезу, тобто енергії, одержуваної при окисленні деяких мінеральних сполук, наприклад нитрифицирующие мікроорганізми отримують енергію при окислюванні аміаку в азотну кислоту, железобактерии - при окисленні закису заліза в окис заліза, серобактерии - при окисленні сірководню в сірку, сірчисту і сірчану кислоти.

 

Гетеротрофи - мікроорганізми, що засвоюють вуглець тільки з  готових органічних сполук. До них  відносяться мікроорганізми бродіння, гнильні і патогенні (хвороботворні) мікроорганізми. Кожен вид мікроба розвивається на середовищах з певною концентрацією водневих іонів (рН). Гетеротрофні мікроорганізми, у свою чергу, діляться на метатрофи (мета - після і трофеї - харчування), або сапрофіти (сапрос - гнилий, фітон - рослина), і паратрофії (пара - біля, трофей - харчування), або патогенні. Перші харчуються мертвими поживними речовинами, другі розмножуються тільки в живих істот. Паратрофії є збудниками хвороб рослин, безхребетних і хребетних тварин. Розподіл мікроорганізмів на автотрофів, метатрофов і паратрофії вельми умовно. Різких граней між ними немає. Багато паратрофії (патогенні мікроорганізми) можуть розвиватися і на мертвих поживних середовищах.

Вивчення еволюції органічного  світу показало, що паратрофії як паразити інших живих істот виникли в далекій давнині, на зорі виникнення життя. Сучасні паратрофії, як і всі інші живі істоти, знаходяться в розвитку і продовжують удосконалювати свої паразитичні властивості.

 

Дихання мікроорганізмів.

Харчування мікроорганізмів забезпечує побудова оболонки, цитоплазми та ядерної субстанції, а також розмноження. Харчування, як правило, супроводжується ендотермічними реакціями (з поглинанням тепла), а подих, навпаки, екзотермічними реакціями (зі звільненням тепла). Ці процеси протікають одночасно і забезпечують необхідний для життя обмін речовин, що виражається в асиміляції (засвоєнні) потрібних речовин і дисиміляції (виведенні) відпрацьованих шкідливих шлаків.

За типом дихання  мікроорганізми діляться на аероби (аер - повітря) і анаероби (не потребують в кисні повітря).

Аероби живуть у присутності  кисню повітря і отримують  теплову енергію при окислюванні  і розщепленні вуглеводів, при  цьому вуглевод розщеплюється до води і вуглекислоти, виділяючи велику кількість енергії. Так, грам-молекула глюкози утворює 688 великих калорій тепла. Реакція протікає за формулою

 

C6H12O6 + 6O2 = 6CO + 6Н2О + 688 кілокалорій.

Анаероби можуть жити і розвиватися лише за відсутності  кисню повітря, для анаеробів  такий кисень є отрутою. Ці мікроорганізми в процесі дихання отримують енергію і необхідний для побудови клітини зв'язаний кисень шляхом (розщеплення органічних сполук. Між облігатними (суворими) аеробами і анаеробами існує багато перехідних груп. Є мікроорганізми факультативні (необов'язкові) - аероби і анаероби, що можуть розвиватися в тих і інших умовах.

 

В анаеробних умовах розщеплення  одного і того ж речовини, наприклад  глюкози, дає значно менше енергії, ніж в аеробних умовах. Так, з однієї грам-молекули глюкози дріжджі в  анаеробних умовах дають тепла тільки 27 кілокалорій:

 

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 27 кілокалорій.

З цього видно, що для  отримання того ж кількості енергії, що отримають аероби, анаероби переробляють в десятки разів більші кількості  тих же самих органічних сполук. Таким чином, дихання мікроорганізмів представляє собою сукупність біохімічних аеробних і анаеробних процесів зі звільнення енергії, використовуваної для їх життєдіяльності.

Окислення органічних сполук, що дають  звільнення енергії, відбувається при  активації молекулярного кисню або активуванні в окисляються з'єднанні водню. Відомі два дихальних ферменту: оксидази, що активують кисень, і гидрогеназой, активують водень. При окисленні кисню повітря утворюються перекиси, які виділяють під впливом пероксидаз атоми кисню, які окислюють використовувані мікробом з'єднання. Активація водню відбувається при утворенні перекису водню, згубно діє на клітину. Перекис водню нейтралізується каталазою, що виділяється багатьма видами мікроорганізмів.

Ферменти мікроорганізмів.

 Складні процеси живлення і дихання мікроорганізмів здійснюються за допомогою ферментів, або ензимів. Ферменти, що виділяються мікроорганізмами в навколишнє середовище, називаються екзоферментів, а ферменти, тісно пов'язані з їх кліткою, - ендоферментамі. Перші готують поживні речовини для всмоктування через оболонку клітки, другі всередині клітини перетворюють надійшли речовини на складові частини клітини.

Ферменти мають білкову природу. Деякі з них складаються виключно з білка. До складу інших ферментів, окрім білка, входить ще небілкова частина (простетическая група), яка може містити іон металу або органічні сполуки, що мають властивості вітамінів.

 

Ферменти поділяють на 6 класів:

1) оксидоредуктази;

2) трансферази;

3) гідролази;

4) ліази;

5) ізомерази;

6) лігази (синтетази).

Згідно з діючою номенклатурою  ферментів, крім назви, введено позначення ферментів чотирма цифрами, розділеними  крапками (наприклад, каталаза - 1.11.1.6). Цифри вказують на класифікацію ферментів. Перша цифра означає клас ферменту (тип каталізує фермент реакції), друга - підклас (позначає з'єднання, на які діє фермент), третя - подподкласс, четверта - індивідуальний номер ферменту. Назви ферментів мають закінчення - аза.

 

Оксидоредуктази - ферменти, що здійснюють окислювально-відновні реакції. Це велика група ферментів, наявних у всіх живих організмах, у тому числі і в мікроорганізмах. До даного класу ферментів належать різні дегідрогенази, які можуть окисляти спирти в альдегіди або кетони; інші дегідрогенази можуть окисляти альдегіди на кислоти. У тому випадку, коли в реакції бере участь кисень, що активується під час реакції, ферменти називаються оксидаза. До них відносяться, медьсодержащих фермент аскорбінат-оксидаза і залізовмісні ферменти - гидрогеназой, каталаза, пероксидаза. Гидрогеназой може використовувати молекулярний водень для відновлення різних речовин, Під впливом каталази перекис водню розкладається на воду та молекулярний кисень. Цим знешкоджується згубну дію перекисів. При дії пероксидази відбувається окислення ароматичних амінів, фенолів та інших речовин і розщеплення перекису водню до води.

 

Трансферази - ферменти, що переносять окремі функціональні  групи речовин у реакціях між молекулами, наприклад метальне групу - СН3, аміногрупи - NH2 (важливо в білковому обміні), альдегідні або кетонові залишки (їх роль велика в обміні вуглеводів, вони каталізують взаємоперетворення Сахаров), групи, містять фосфор. Так, фермент гексокіназа каталізує реакцію фосфорилювання глюкози, фруктози і манози у шостого вуглецевого атома, що відіграє велику роль у вуглеводному обміні.

 

Гідролази - ферменти, що гідролізують жири, вуглеводи та білки  з приєднанням води. Гідролази, що діють на складноефірні зв'язку, називаються естеразами (від естер - ефір). Прикладом естераз може служити фермент ліпаза, що каталізує гідроліз жирів на гліцерин і жирні кислоти. Під впливом естераз жири, масла і віск розщеплюються на жирні кислоти і спирти. Бджолиний віск, що складається з вищих жирних кислот і вищого одноатомного спирту, під дією естерази розпадається на церіновую (C25H51COOH) і пальмітинову (C25H51COOH) кислоти та меріціловий спирт (С32Н63ОН). Руйнують віск і утворюють естерази наступні гриби: Aspergillus niger, A. flavus, A. fumigatus, A. versicolor, A. regulosus, A. tamarii, A. fiischeri, Penicillium rogueformii, P. chrysogenum, P. purpurescens, P. nissarum, P. oxalicum, P. decumbens, P. javanicum, P. soppi, Aureobasidium pullulans, Candida albicans, Oidium lactis, Fusarium sporotrichiella. Естерази утворюють також деякий бактерії, наприклад Micrococcus cerolyticus, М. aureus, М. citreus, Proteus, Serratia marcescens. Найбільш часто мікроорганізми руйнують віск стільників і мерви.

 

Для визначення у мікробів естерази їх вирощують на агарної середовищі з додаванням рослинної олії і невеликої кількості нільського синього. При наявності естерази середовище з рожевою стає фіолетового у результаті появи вільних жирних кислот.

 

Гідролази фосфомоноефіров  називаються фосфатаза, сюди ж відноситься утворена багатьма мікроорганізмами дезоксирибонуклеаза (ДНК-аза).

 

Найбільш велика й  важлива група гідролаз - це гідролази, що діють на глікозільние з'єднання. Вони здійснюють гідроліз складних вуглеводів (крохмалю, інших полісахаридів, трісахарідов і дисахаридів) до більш простих. Амілази каталізують гідроліз крохмалю, причому в залежності від кінцевих продуктів вони поділяються так: α-амілаза гідролізує крохмаль в основному до декстринів з невеликою домішкою мальтози; β-амілаза розщеплює крохмаль до мальтози і невеликої кількості декстринів; глюкоамілаза - до глюкози; хітинази розщеплює азотовмісних полісахарид хітин до хітозану, віскозіна і N-ацетилглюкозаміну. Хітинази утворюють гриби Coprinus comatus, Phallus impudicus, Fistulina hepatica, Beauveria bassiana, Aspergillus niger, A. flavus, Ascosphaera apis. У місцях скупчення комах (пасіки, червоводні) кількість хітінорасщепляющіх мікроорганізмів зростає, деякі з них підсилюють свої патогенні властивості.

Дисахариди під впливом відповідних ферментів гідролаз розщеплюються в результаті приєднання води на вуглевод (моносахара) і шестіуглеродний спирт. Так, під дією α-глюкозидази (стара назва мальтаза) солодовий цукор - мальтоза гідролізується до глюкози і спирту, β-фруктофуранозидаза (стара назва сахарази або інвертаза) каталізують розпад сахарози до спирту і фруктози.

Кожен мікроб має свій, властивий йому набір ферментів. Для визначення ферментів, що розщеплюють  вуглеводи, застосовують кольорові  середовища.