Способы существования прокариот

Источник энергии	Донор электронов	Источник углерода	Способ существования	Представители прокариот
окислительно- восстановитель ные реакции Свет	неорганические соединения (Н₂, Н₂S, NН₃, Fе²⁺ и др.)	СО₂	хемолитоавто трофия	нитрифицирующие, тионовые, водородные бактерии, ацидофильные железобактерии
органические соединения	хемолитогетеро трофия	метанобразующие архебактерии, водородные бактерии
органические соединения	СО₂	хемоорганоавто трофия	факультативные метило трофы, окисляющие муравьиную кислоту
органические соединения	хемоорганогете ротрофия	большинство про кариот (все животные, грибы)
неорганические соединения (Н₂О, Н₂S, S⁰ и др.)	СО₂	фотолитоавто трофия	цианобактерии, пурпурные и зеле ные бактерии (высшие растения)
органические соединения	фотолитогетеро трофия	некоторые цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии
	СО₂	фотоорганоавто трофия	некоторые пурпурные бактерии

В приведенных выше примерах метаболические возможности указанных цианобактерий и видов Тhiоbαсillus оказались гораздо шире, чем необходимо для осуществления метаболизма по одному типу. В этом случае мы говорим о том, что данные организмы – факультативные фотолитоавтотрофы или хемолитоавтотрофы, т.е. осуществление данного типа метаболизма не является для них единственным и обязательным (облигатным). Организмы, способные одновременно использовать 2-ва источника углерода (СО₂ + органические вещества) и/или энергии(например, энергию света + энергию окисления химического соединения) называются миксотрофами. В рамках разобранных выше основных способов питания, определяющих возможности существования прокариотных организмов, в мире прокариот обнаружено множество типов (форм) жизни. Тип жизни – понятие, отражающее, с одной стороны, специфику процессов энергетического метаболизма, с другой – специфику процессов конструктивного метаболизма, присущую определенной группе организмов. Разберем это на примере прокариот, для которых обязателен хемоорганогетеротрофный способ существования. Энергетические процессы этих организмов различаются исходными субстратами, специфичностью промежуточных окислительно-восстановительных превращений и природой конечных акцепторов электронов; конструктивные – разной степенью развития биосинтетических способностей, т.е. различными потребностями в готовых питательных веществах. Наиболее примитивную и древнюю группу энергетических процессов составляют процессы брожения, когда органические соединения служат донором и конечным акцептором электронов, а молекулярный кислород в реакциях окислительной природы участия не принимает. Известны молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое и некоторые другие виды брожения, каждое из которых является специфической формой решения «энергетической проблемы» и осуществляется группой прокариот, характеризующихся определенными биосинтетическими способностями. Известны прокариотные орагнизмы, получающие энергию за счет процессов неглубокого или полного окисления органического субстрата молекулярным кислородом. Таким образом, на базе хемоорганогетеротрофного способа питания можно выделить несколько типов жизни, представленных определенными группами прокариот, осуществляющими конкретный тип энергетического метаболизма в сочетании с присущими им особенностями метаболизма конструктивного. Прокариоты синтезируют вещества, регулирующие не только внутриклеточный метаболизм, но межклеточные взаимодействия. Особенности этих веществ, называемых ауторегуляторами, являются их выделения в окружающую среду, проявление биологической активности в очень низкой концентрации (10^-9 – 10^-12М) и воздействие не на организмы иного вида, а на другие особи (клетки) того же вида. Эти вещества выделяются клетками прокариот в обычных условиях культивирования и обнаруживают строгую видо- или родоспецифичность. Vibriо fisсhеri – обычный светящийся симбионт рыб семейства Моnосеntudае, синтезирует ауторегулятор, стимулирующий образование нескольких компонентов системы свечения. Несколько видов ауторегуляторов, контролирующих синтез антибиотика и спорообразование, обнаружено у актиномицета Strерtоmусеs grisеus. Таким образом, прокариотные организмы синтезируют химические вещества-сигналы, регулирующие различные процессы, связанные с межклеточными взаимодействиями в популяции одного вида или даже штамма. Примечательно, что большинство изученных регуляторов – вещества липидной природы, что позволяет им легко диффундировать через клеточные мембраны без помощи специальных транспортных систем, обнаружены и феромоны. Выявление нового класса веществ – регуляторов жизнедеятельности прокариот на межклеточном уровне – интересно тем, что позволяет рассматривать эти организмы не просто как популяцию разрозненных клеток, но указывает на существование более высоко уровня их организации.

Прокариготы и факторы внешней среды.

Для прокариот как группы в целом характерна способность существовать в гораздро большем диапазоне условий внешней среды, чем для эукариотных организмов. Среди прокариот есть организмы, которые могут расти в подводных вулканических источниках (температура до 300 ⁰С), кислой (рН 1 и выше) среде, при давлении 1000 атм, высоких концентрациях тяжелых металлов, концентрации соли до 30 %, высоких уровнях радиации. По отношению к молекулярному кислороду можно выделить три группы организмов. Облигатные аэробы способны получать энергию только путем дыхания и поэтому нуждаются в О₂. Облигатные анаэробы могут расти только в среде лишенной кислорода. Факультативные аэробы и анаэробы растут как в присутствии, так и в отсутствие О₂. Среди каждой из этих групп выделяют еще по 2-ве группы: У аэробов – это, растущие на воздухе и микроаэрофильные, для анаэробов – это строгие анаэробы и аэротолерантные (рис. стр. 127). Указанные группы имеют существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы неспособны к росту при концентрации О₂, равной атмосферной, но могут расти, если содержание О₂ в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2 %) – их относят к микроаэрофилам. В качестве примера можно привести потребности в кислороде аэробных азотфиксирующих бактерий. Метаболические особенности аэробных азотфиксирующих бактерий связаны с ингибирующим действием кислорода на активность фермента нитрогеназы – ферментного комплекса, ответственного за фиксацию молекулярного азота. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации О₂ ниже 2 %, т.е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например, аммонийного, – на воздухе. Второй пример – многие водородокисляющие бактерии. На среде с органическими соединениями в качестве источника энергии они хорошо растут при атмосферном содержании О₂. Если источником энергии является окисление молекулярного водорода, эти же бактерии для роста требуют низкой концентрации О₂. Подобные процессы связаны с инактивацией молекулярным кислородом гидрогеназы – фермента, катализирующего использование Н₂. Облигатные анаэробы могут расти только в среде, лишенной кислорода; кислород для них токсичен, т.е. энергетический и конструктивный обмены у них осуществляются без участия кислорода. К ним относятся метанобразующие архебактерии, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие эубактерии. В настоящее время выяснено, что облигатные анаэробы получают энергию не только за счет брожения, но и за счет анаэробного дыхания – переноса электронов по цепи переносчиков на СО₂, SО^-2₄, фумарат и другие акцепторы. По степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде, облигатные анаэробы, погибающие даже при незначительном содержании кислорода в среде, называют строгими анаэробами. Например, маслянокислые бактерии рода Сlоstridium среди которых есть умеренно или достаточно высоко (С. реrfringеns, С. асеtоbutуliсum) толерантные к О₂. Молочнокислые бактерии, обладающие метаболизмом только анаэробного типа, могут расти в присутствии воздуха, и выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов. В природных условиях имеются примеры совместного роста облигатных анаэробов и облигатных аэробов, что объясняется,

во-первых, наличием эндоспор не чувствительных к кислороду, например, представители бактерии рода Сlоstridium, во-вторых, совместное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный кислород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией О₂, создает возможности и для развития строго анаэробных видов. Многие прокариоты приспособились в зависимости от наличия или отсутствия О₂ в среде переключаться с одного метаболического пути на другой, например с дыхания на брожение, и наоборот. Такие организмы называются факультативными аэробами или факультативными анаэробами, представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии. В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания, в анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или анаэробного дыхания. Ферменты и их роль в процессах дыхания. Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании и поэтому нужен всем аэробным организмам. При этом реакцию одновременного переноса 4-х электронов на кислород: О₂ + 4е^- -> О^2- + О^2- катализирует цитохромоксидаза – конечный фермент электрон-транспортной цепи. В этой реакции происходит перенос 4-х электронов, и в результате получаются 2-ва иона О^2-, каждый из которых при взаимодействии с 2-мя протонами образует воду. Из всех ферментов только цитохромоксидаза и некоторые «синие ферменты», содержащие медь (тирозиназа, лакказа), способны переносить сразу 4-е электрона на О₂. Для ферментов, содержащих флавин – глюкозооксидаза, оксидазы аминокислот, ксантиноксидаза, – переносящих 2-а электрона и восстанавливающих О₂до иона пероксида О^2-₂, который реагируя с протонами образует Н₂О₂. Перекись водорода для клетки токсична, т.к. окисляет, например, SН-группы; защитное действие в этом отношении оказывают ферменты каталаза и пероксидаза. Они разлагают перекисные соединения до воды и свободного кислорода 2Н₂О₂ ^{каталаза} -> 2 Н₂О + О₂. Ферменты, содержащие флавин, есть у многих аэробных и анаэробных бактерий, становится понятным, почему большинство аэробных организмов обладает каталазой. В реакции переноса одного электрона на О₂ участвуют ферменты оксидазы О₂ + 1е^- -> О₂^- , при этом образуется супероксид ион О^-₂, который как радикал, очень реакционноспособен. Супероксид радикал и продукт его реакции с Н₂О₂ гидроксидрадикал также весьма реакционноспособны и вызывают образование в клетке высокореактивных соединений. Защитное действие оказывает фермент супероксиддисмутаза. Всю совокупность взаимодействия молекулярного кислорода с клеткой, с точки зрения лежащих в основе этого химических механизмов, можно свести к участию О₂ в двух типах реакций, в первом из которых он выступает в качестве конечного акцептора электронов, а во втором происходит его прямое внедрение в молекулу вещества. Только первый тип реакций с участием молекулярного кислорода может стать источником энергии для клетки. Поэтому в клетках сформированы электронтранспортные цепи с определенным образом ориентированными в мембране митохондрий переносчиками, обеспечивающими на отдельных этапах перемещение протонов через мембрану, а электронов – на О₂, и ферментный комплекс, преобразующий возникающую при электронном транспорте электрохимическую энергию в химическую, запасаемую в молекулах АТФ, с помощью АТФ-синтаз. В анаэробных условиях, хемоорганотрофные организмы могут получать биохимическую энергию (в форме АТФ) двумя способами – путем брожения и путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. Многие бактерии, однако, и в анаэробных условиях используют окислительное (электрон-транспортное) фосфорилирование; при этом происходит перенос электронов, получаемых при расщеплении субстрата, по (укороченной) электрон-транспортной цепи на экзогенные (добавленные в питательную среду) или эндогенные (образующиеся при разложении субстрата) акцепторы. Акцепторами электронов могут быть ионы нитрата, сульфата, карбоната и фумарата, а также сера; соответствующие виды бактерий объединяют в физиологические группы нитратвосстанавливающих, денитрифицирующих, сульфатредуцирующих, метаногенных и ацетогенных бактерий. а также бактерий, восстанавливающих серу. Все эти бактерии играют важную роль в природном балансе. Так как фосфорилирование, сопряженное с транспортом электронов, долгое время считалось характерной принадлежностью аэробного дыхания, то, говоря о преобразовании энергии, при окислительном фосфорилировании в анаэробных условиях, в настоящее время пользуются также термином «анаэробное дыхание».

Важнейшие общие представления механизма обмена веществ у прокариот.

Как мы уже выяснили, вегетативные клетки постоянно нуждаются в притоке энергии, т.к. живая клетка представляет собой высокоорганизованную материю. Высокая организация клеточной материи заключается в том, что клетка состоит из различных соединений, и, в первую очередь, различных биополимеров, способных к самовоспроизводству, катализу, участвующих в обмене веществ и энергии. Энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности организм получает в процессе обмена веществ, или метаболизма, т.е. путем регулируемых превращений, которым различные вещества подвергаются внутри клетки. Источниками энергии служат питательные вещества, поступающие из внешней среды. В клетках эти вещества претерпевают ряд изменений в результате последовательных ферментативных реакций, образующих этапы определенных метаболических путей. Такие пути выполняют 2-ве главные функции: они, во-первых, поставляют материалы-предшественники для построения клеточных компонентов, и, во-вторых, обеспечивают энергию для клеточных синтезов и других процессов, требующих затрат энергии. Превращения веществ в клетке – обмен веществ или метаболизм – в результате которых из сравнительно простых предшественников, например глюкозы, жирных кислот с длинной цепью или ароматических соединений, образуется новое клеточное вещество, можно подразделить условно на три группы. Первая группа реакций метаболизма – это расщепление питательных веществ на небольшие фрагменты называется распадом или катаболизмом, во второй группе реакций небольшие фрагменты превращаются в ряд органических кислот и фосфорных эфиров – это реакции промежуточного обмена или амфиболизма. Два эти пути переходят незаметно один в другой. При этом образуется много разнообразных низкомолекулярных соединений, из которых синтезируются мономерные молекулы – строительные блоки биополимеров или макромолекул (нуклеиновые кислоты, белки, компоненты клеточной стенки и т.п.), из которых состоит клетка. Эти два этапа биосинтеза клеточных веществ – синтез строительных блоков и синтез биополимеров составляют синтетическую ветвь метаболизма или анаболизм. Основная догма, признаваемая в нашем веке – это принцип «биохимического единства», согласно которому все живые существа, обитающие на Земле, в биохимическом отношении в основе своей сходны. Этот принцип выражается, например, в единообразии строительных блоков (в том числе в однотипности их оптического вращения), во всеобщей роли АТФ, как элементарного кванта биологической энергии, в универсальности генетического кода, а также в единстве путей превращения сахаров и природы дыхательной цепи. Почти идентичны у всех живых существ и главные метаболические пути. Все варианты обмена веществ микроорганизмов можно свести к общей схеме (рис. 7.1, стр. 215, Шлегель). Существует лишь несколько групп бактерий, у которых основные схемы метаболизма так или иначе модифицированы – преобладают какие-то определенные пути, а другие укорочены или иным образом изменены. В круговороте углерода главным продуктом фотосинтеза у растений являются углеводы, которые в то же время служат основными питательными веществами для большинства микроорганизмов. Мы рассмотрим глюкозу как основное соединение – субстрат клеточного метаболизма. Макромолекулы, как правило, сначала расщепляются вне клетки выделяемыми ею ферментами (экзоферментами) на мономерные и димерные блоки и лишь в такой форме поглощаются клеткой. Затем в результате последовательности реакций метаболического пути (гликолиз, гликогенолиз) происходит расщепление глюкозы на 2-ве триозы, которые превращаются в пировиноградную кислоту. Пируват занимает ключевое положение в клеточном метаболизме, т. к. служит исходным соединением во многих процессах распада и синтеза. Так в результате декарбоксилирования пирувата образуются С₂-соединения, которые связываются с молекулой оксалоацетата (щавелевоуксусной кислотой, ЩУК), а затем в цикле трикарбоновых кислот постепенно окисляются до СО₂. ЩУК в этом циклическом процессе регенерируется. Этот цикл называется «метаболическим котлом» клетки, в котором «сгорают» органические соединения, при каждом обороте ЦТК из одного С₂-соединения (ацетилкофермента А) выделяется 2 молекулы СО₂ и четыре раза по 2 [Н]. Атомы водорода (или окислительные эквиваленты), отщепившиеся на разных этапах окисления органических веществ, поступают в АТФ-регенерирующую систему дыхательной цепи (окислительное фосфорилирование). ЦТК играет важную роль в обмене веществ не только как участник конечного окисления питательных веществ, но служит и распределителем-поставщиком исходных соединений для синтеза мономеров (строительных блоков) клетки. Промежуточные органические кислоты цикла (2-оксоглутарат, сукцинат, оксалоацетат) являются исходным материалом для процессов биосинтеза. Эти органические кислоты постоянно пополняются в цикле за счет анаплеротических реакций, которые обеспечивают поступление в ЦТК все новых количеств промежуточных соединений взамен израсходованных для биосинтеза. Пути катаболизма глюкозы (гексоз). Наиболее распространенный путь распада через образование фруктозо-1,6-бифосфата, он так и называется фруктозобифосфатный путь, или гликолитическим расщеплением, или гликолизом, или путем Эмбдена – Мейергофа – Парнаса. Другой метаболический путь – окислительно пентозофосфатный или гексозомонофосфатный или схема Варбурга – Диккенса – Хореккера. Только у бактерий встречается, видимо, путь Энтнера – Дудорова или КДФГ-путь (по характерному промежуточному продукту – 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконату). В анаэробных условиях все микроорганизмы, сбраживающие углеводы (за немногими исключениями), используют энергию, получаемую в результате окисления глицеральдегидфосфата в пируват. Пентозофосфатный цикл представляет собой явно побочный путь, значение которого заключается в подготовке важных исходных веществ (пентозофосфатов, эритрозофосфата, глицеральдегид-3-фосфата), а также получении восстановительных эквивалентов (NАDРН₂) для процессов синтеза. Пентозофосфаты – предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот – образуются путем дегидрирования и декарбоксилирования глюкозо-6-фосфата, а также в транскетолазной и трансальдолазной реакциях из фруктозо-6-фосфата (рис. 7.4, стр. 228, Шлегель). Путь Энтнера – Дудорова начинается также как и пентозофосфатный цикл с превращения путем дегидрирования глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконата, который после отщепления воды образует 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат. Кетодезоксифосфоглюконат расщепляется специфической альдолазой на пируват и глицеральдегид-3-фосфат, который окисляется до пирувата, также как и в гликолитическом пути. Таким образом все пути окисления гексоз приводят к получению пирувата и глицеральдегида-3-фосфата, которые являются продуктами промежуточного метаболизма и связующими продуктами или переходными соединениями связывающими метаболические пути распада и синтеза (ЦТК, обмен жиров, синтез аминокислот и т.п.). Микроорганизмы заметно различаются между собой по степени использования того или иного из рассмотренных путей. Универсальными являются гликолиз и пентозофосфатный путь (для несовершенных и плесневых грибов, кишечной палочки), путь Энтнера – Дудорова у бактерий также широко распространен для расщепления глюконата. Брожение. Получение энергии необходимо для жизнедеятельности клетки. Из 3-х принципиально возможных способов регенерации АТФ (дыхание, брожение, фотосинтез) брожение – наиболее простой. Брожение – это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода (схема на стр. 263, Шлегель). Реакции, приводящие к фосфорилированию АДФ, являются реакциями окисления. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя СО₂. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на NАD. Акцепторами водорода, находящегося в составе NАDН₂, служат промежуточные продукты расщепления субстрата. При регенерации NАD последние восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки. При сбраживании углеводов и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие продукты, как этанол, лактат, пропионат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандиол, ацетон, 2-пропанол, СО₂ и Н₂. В зависимости от названия преобладающего продукта и разделяют типы брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует: «Брожение – это жизнь без воздуха» (Л. Пастер). Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение, – облигатные анаэробы, а некоторые факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием. При сбраживании глюкозы микроорганизмами образуется от 1 до 4-х молей АТФ. Имеется несколько реакций преобразования энергии путем фосфорилирования на уровне субстрата – субстратное фосфорилирование, из них 2-ве из гликолитического цикла: превращение 1,3-Бифосфоглицерата в 3-фосфоглицерат и фосфоенолпирувата в пируват. И одна реакция – ацетилфосфат + АДФ-->ацетат + АТФ – уксуснокислое брожение. Эти соединения характеризуются тем, что свободная энергия, освобождающаяся при их гидролизе, находится в области значений от – 35 до – 88 кДж/моль и с помощью соответствующих ферментов может быть перенесена на АДФ. Другие реакции субстратного фосфорилирования ограничены какими-либо специфическими видами брожения. Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитозоле клетки, что указывает на простоту химических механизмов, лежащих в основе субстратного фосфорилирования (отличия окислительного фосфорилирования). В каждом виде брожения можно выделить 2-ве стороны: окислительную и восстановительную. Процессы окисления сводятся к отрыву электронов от определенных метаболитов с помощью специфических ферментов (дегидрогеназ) и акцептирования их другими молекулами, образующимися из сбраживаемого субстрата, т.е. в процессе брожения происходит окисление анаэробного типа. Таким образом, брожение – это способ получения энергии, при котором АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования. Гомоферментативное молочнокислое брожение представляет собой энергетическую сторону образа жизни группы гомоферментативных молочнокислых бактерий. В этом процессе существуют 3-и типа химических превращений: перестройка углеродного скелета исходного субстрата; окислительно-восстановительные превращения; образование АТФ. Энергетический выход процесса – образование 2 молекул АТФ на молекулу глюкозы. Этот вид брожения, в основе которого лежит гликолитический путь разложения глюкозы, является единственным способом получения энергии для группы эубактерий, которые при сбраживании углеводов превращают в молочную кислоту от 85 до 90 % сахара среды. В эту группу входят морфологически различные формы бактерий: кокки, относящиеся к родам Strерtососсus и Реdiососсus, а также длинные или короткие палочки из рода Lасtоbасillus. Последний подразделяется на три подрода, два из них Тhеrmоbасtеrium и Strерtоbасtеrium, также осуществляют гомоферментативное молочнокислое брожение. Все бактерии этой группы положительно окрашиваются по Грамму, не образуют спор, неподвижны. В качестве источника углерода используют лактозу или мальтозу (растительный сахар, образующийся при гидролизе крахмала), некоторые пентозы, сахароспирты, органические кислоты. Из всех известных непатогенных прокариот молочнокислые бактерии отличаются наибольшей требовательностью к субстрату. В связи с тем, что у них слабо развиты биосинтетические способности, для их роста в питательной среде должны присутствовать готовые органические соединения (аминокислоты, витамины группы В, пурины, пиримидины). Они распространены там, где могут обеспечить свои высокие потребности в питательных веществах и где имеются большие количества углеводов. Их много в молоке и молочных продуктах, на поверхности растений и в местах разложения растительных остатков; обнаружены в пищеварительном тракте и на слизистых оболочках животных и человека. Они с давних пор используются человеком в получении молочнокислых продуктов, квашении овощей (молочная кислота понижает рН и является консервантом). К гетероферментативным молочнокислым бактериям, сбраживающим сахара с образованием молочной кислоты, СО₂, этанола и/или уксусной кислоты относятся представители рода Lеuсоnоstос и бактерии, объединенные в подрод Веtаbасtеrium рода Lасtоbасillus (L. fеrmеntum, L.brеvis). У них отсутствует ключевой фермент гликолитического пути – фруктозодифосфатальдолаза, и поэтому сбраживание субстратов они могут осуществлять только по окислительному пентозофосфатному пути, т.е. являются облигатно гетероферментативными формами. Кроме того, представители подрода Strерtоbасtеrium (L. саsеi, L. рlаntаrum, L. хуlоsis) этого же рода сбраживают гексозы по гликолитическому пути, а пентозы по окислительному пентозофосфатному, осуществляя в первом случае гомоферментативное, а во втором гетероферментативное молочнокислое брожение. Обе группы бактерий близки по морфологическим, культуральным признакам и особенностям конструктивного метаболизма. Путь Энтнера – Дудорова имеет важное значение, когда сбраживаемыми субстратами служат глюконовая, маннановая, гексуроновые кислоты или их производные. Он функционирует у довольно широкого круга эубактерий, главным образом грамотрицательных, получающих энергию, в процессе дыхания (энтеробактерии, виды Аzоtоbасtеr, Рsеudоmоnаs, Аlсаligеnеs, Rhizоbium, Sрirillum, Хаnthоmоnаs, Тhiоbасillus). У энтеробактерий гликолитический и окислительный пентозофосфатный пути функционируют как центральные конститутивные пути метаболизирования углеводов, путь Энтнера – Дудорова – как индуцибельный. Этот путь обнаружен у некоторых клостридиев (весьма неоднородной этой таксономической группы эубактерий). Появление пути Энтнера – Дудорова, вероятно, было вызвано высокой потребностью клеток в пирувате, т.к. это более короткий путь и прямой путь его получения из субстрата, чем гликолиз, включающий всего 4-е реакции, вместо 9. Спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами, до последней реакции идет по гликолитическому или гомоферментативному молочнокислому брожению, но последняя реакция заменена 2-мя другими ферментативными реакциями: сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермента спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и СО₂. Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД⁺-зависимой алкогольдегидрогеназы, донором водорода служит 3-ФГА. Изучение процесса спиртового брожения, осуществляемого дрожжами, дало возможность открытия ряда принципиально важных положений: «эффекта Пастера», инактивирования процесса брожения в условиях свободного доступа кислорода и активирования процесса дыхания; Г. и Э. Бухнеры показали возможность осуществления спиртового брожения вне клетки, т.е. ферментную природу этого процесса; в 1933 г Г. Эмбден и О. Мейергоф предложили полную схему спиртового брожения; работами К. Нойберга показана важная особенность метаболизма низших форм жизни – его чрезвычайная гибкость. К. Нойберг обнаружил, что в зависимости от условий процесс спиртового брожения может идти с образованием продуктов, которые в норме не образуются, если добавить в среду бисульфит (NаНSО₃), то основным продуктом брожения будет глицерин, то же самое происходит в щелочной среде. Накопление этанола в среде в анаэробных условиях наблюдается у разных групп эубактерий и группы эукариотных микроорганизмов – дрожжей. К первым относятся грамположительные анаэробные кокки Sаrсinа vеntriсuli, аэротолерантный анаэроб, клетки неподвижны; делятся в 3-х плоскостях, поэтому в культуре под микроскопом видны в виде пакетов из 8 и более клеток, способны образовывать эндоспоры. Еrwiniа аmуlоvоrа относится к группе энтеробактерий, грамотрицательные подвижные палочки, этот вид является патогенным для растений. Факультативный анаэроб, в аэробных условиях получающий энергию в процессе дыхания. Помимо этилового спирта и СО₂ в качестве продуктов брожения S. vеntriсuli в среде накапливается уксусная кислота и выделяется молекулярный водород, у Е. аmуlоvоrа накапливается молочная кислота. У бактерий Zуmоmоnаs mоbilis грамотрицательных подвижных бактерий, имеющих форму коротких палочек, анаэробов, используемых в Мексике для получения национального спиртового напитка «пульке» разложение глюкозы до пировиноградной кислоты идет по пути Энтнера – Дудорова и далее до этанола по обычному пути. Таким образом, этиловый спирт образуется анаэробными микроорганизмами разных групп и разными метаболическими путями. Основными продуцентами этилового спирта, имеющими широкое практическое применение, являются дрожжи – одноклеточные эукариотные микроорганизмы, принадлежащие к разным классам высших грибов.

Энергетическая сторона процессов брожения. Энергетической стороной процессов брожения является их окислительная часть, поскольку реакции, ведущие к выделению энергии, – это реакции окисления. Есть исключения из правила: некоторые анаэробы часть энергии при сбраживании субстрата получают также в результате его расщепления. Однако сравнение процессов дыхания и брожения по их энергетическому выходу показывает, что при брожении не происходит полного извлечения энергии из субстрата, часть энергии остается в продуктах брожения. Так при брожении одной молекулы глюкозы выделяется – -196,65 кДж/моль, а при дыхании – -2870,22 кДж/моль стандартной свободной энергии ΔG₀^′. При этом в процессе гомоферментативного молочнокислого брожения синтезируются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы; в процессе дыхания при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В обоих случаях эффективность запасания выделяющейся энергии в макроэргических связях АТФ примерно одинакова. Как мы уже знаем, при брожении некоторые реакции на пути анаэробного преобразования субстрата связаны с наиболее примитвным типом фосфорилирования – субстратным фосфорилированием. К синтезу АТФ по типу субстратного фосфорилирования ведут катаболические реакции, которые в зависимости от химической природы, могут быть разделены на 2-а типа: окислительно-восстановительные и реакции расщепления субстратов с помощью ферментов, относящихся к классу лиаз (окисление ФГА, катализируемое ФГА-дегидрогеназой приводит к образованию богатого энергией метаболита 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК, расщепление цитруллина, приводящее к синтезу карбамоил фосфата – соединения с макроэргической фосфатной связью). Анаэробное окисление пировиноградной или α-кетоглутаровой кислот приводит к образованию высокоэнергетических метаболитов – ацетил-КоА или сукцинил-КоА соответственно. Символ «КоА» означает кофермент А, связанный с ацильной группой (R–СО~S-КоА), «КоА–SН», находящийся в свободном состоянии. Богатые энергией соединения, образующиеся в реакциях указанных типов, представляют в большинстве случаев ангидриды фосфорной кислоты или тиоэфиры органических кислот. Последние используются для синтеза АТФ через ферментативную стадию образования соответствующих ацилфосфатов: ацил-КоА + Ф_н---> ацилфосфат + КоА –SН. Несмотря на большое число углеродных субстратов, доступных для сбраживания, количество реакций, приводящих непосредственно к синтезу АТФ при брожениях, составляет всего три (вышеперечисленные и последняя реакция гликолиза, образование пирувата из фосфоенолпирувата).

Фотосинтез. Типы жизни, основанные на фотофосфорилировании.

Эволюционно возникновение фотосинтетического типа жизни возникло из-за нехватки органических веществ, для поддержания жизнедеятельности живых организмов и в результате поиска новых источников углеродного питания и свободной энергии. В энергетическом плане необходимо было найти способ получении энергии за счет постоянно действующего источника. Такой источник энергии представляет собой солнечная радиация. Глобальное значение развившейся способности использовать световую энергию в том, что фотосинтез – единственный процесс, приводящий к увеличению свободной энергии на нашей планете. Таким образом, фотосинтез обязан своим «происхождением» экологическому кризису, возникшему в результате исчерпания на определенном этапе развития жизни органических ресурсов планеты. Жизнь за счет анаэробных превращений органического субстрата привела к возникновению анаэробной формы жизни за счет света. Для этого, прежде всего, должны были возникнуть молекулы, поглощающие кванты света. Когда сформировались структуры для улавливания света, появилась возможность использования световой энергии. То, как эта возможность реализовывалась, доказывает наличие нескольких типов фотосинтеза, осуществляемого разными группами эубактерий, энергетический метаболизм которых полностью или частично основан на использовании энергии света. К фотосинтезирующим эубактериям относятся пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии, цианобактерии и прохлорофиты. Способность организмов существовать за счет энергии света в первую очередь связана с наличием у них специфических фоторецепторных молекул – пигментов. Набор пигментов характерен и постоянен для определенных групп фотосинтезирующих эубактерий. Соотношения между отдельными пигментами колеблются в зависимости от вида и условий культивирования. В целом фотосинтетические пигменты эубактерий обеспечивают поглощение света с длиной волны в области 300 – 1100 нм. Все фотосинтетические пигменты относятся к 2-м химическим классам соединений: 1) пигменты, в основе которых лежит тетрапиррольная структура (хлорофиллы, фикобилипротеины); 2) пигменты, основу которых составляют длинные полиизопреноидные цепи (каротиноиды). У фотосинтезирующих эубактерий известно больше 10 видов хлорофиллов, они получили общее название бактериохлорофиллы. Основными хлорофильными пигментами зеленых бактерий являются бактериохлорофиллы с, d или е, незначительно отличающиеся между собой по спектрам поглощения. Кроме них в клетках всех зеленых бактерий в небольшом количестве содержится бактериохлорофилл α, что позволяет зеленым бактериям использовать свет с длиной волны до 840 нм. Необычный хлорофилл g с максимумом поглощения 790 нм обнаружен у облигатно анаэробных фотосинтезирующих бактерий Неliоbасtеrium сhlоrum, Неliоbасillus mоbilis, выделенные в группу гелиобактерий. Эубактерий, фотосинтез которых сопровождается выделением молекулярного кислорода (цианбактерии и прохлорофиты), содержат хлорофиллы, характерные для фотосинтезирующих эукариотных организмов. У цианобактерий – это только хлорофилл α, у прохлорофит α и b, что обеспечивает поглощение света до 750 нм. Фикобилипротеины – красные и синие пигменты, содержащиеся только у цианобактерий. Хромофорная группа пигмента, называемая фикобилином, ковалентно связана с водорастворимым белком типа глобулина и представляет собой структуру, состоящую из 4-х пиррольных колец, но не замкнутых, как в молекуле хлорофилла, а имеющих вид развернутой цепи, не содержащей металла. Эти пигменты способны к агрегированию, что и сопровождается формированием фикибилисом – структур, в которых эти пигменты организованы в агрегаты высокого порядка. Фикобилипротеины обеспечивают в клетках цианобактерий поглощение света в области 450 – 700 нм и с высокой эффективностью (больше 90%) передают поглощенный свет на хлорофилл, при этом основное количество энергии передается хлорофилл. Связанный со 11 фотосистемой. Все цианобактерии содержат небольшие количества аллофикоцианина и значительные количества фикоцианина, одного из основных клеточных пигментов, содержание которого в условиях низкой освещенности может достигать 60 % от общего уровня растворимых белков клетки. Некоторые цианобактерии содержат также второй основной фикобилипротеин – фикоэритрин. Способность синтезировать фикоэритрин может быть конститутивным свойством организма или индуцироваться в определенных условиях освещения. К вспомогательным фотосинтетическим пигментам, которые содержат все фотосинтезирующие организмы, относятся каротиноиды, большая группа химических соединений, представляющих собой продукт конденсации остатков изопрена: – СН = С (СН₃) – СН=СН – (СН₃в боковой цепи). Выделяют кислородсодержащие – ксантофиллы, и, не содержащие кислорода каротиноиды. Состав каротиноидов фотосинтезирующих эубактерий разнообразен. Наряду с пигментами, одинаковыми у разных групп, для каждой из них обнаружены определенные каротиноиды или наборы последних. Наиболее разнообразен состав каротиноидных пигментов у пурпурных бактерий (свыше 50). Набор и количество отделных каротиноидов определяют окраску пурпурных бактерий, густые суспензии которых имеют пурпурно-фиолетовый, красный, розовый, коричневый, желтый цвета. У зеленых серобактерий арильные, содержащие 1 или 2 ароматических кольца и алициклический каротиноид γ-каротин. У зеленых нитчатых бактерий – цианобактерий и прохлорофитов основной пигмент β-каротин (с 1 или 2 β-иононовыми кольцами). Каротиноиды поглощают свет в синем и зеленом участках спектра – 400 – 550 нм. Эти пигменты, как и хлорофиллы, локализованы в мембранах и связаныс мембранными белками без участия ковалентных связей. Функции каротиноидов: вспомогательные фотосинтетические пигменты, поглощающие кванты света в коротковолновой области спектра, которые затем передаются на хлорофилл (у цианобактерий на 1-ую фотосистему); участие в процессах фототаксиса; защита от токсического действия кислорода (синглетного). Строение фотосинтетического аппарата эубактерий. У разных групп он организован по разному и проявляется как в химической природе составляющих его компонентов, так и в структурной организации в клетке. Фотосинтетический аппарат состоит из 3-х основных компонентов: 1) светособирающих пигментов, поглощающих энергию света и передающих ее в реакционные центры; 2) фотохимических реакционных центров, где происходит трансформация электромагнитной формы энергии в химическую; 3)фотосинтетических электронтранспортных систем, обеспечивающих пренос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молекулах АТФ. В фотохимической реакции участвуют,как правило, хлорофиллы или бактериохлорофиллы α в модифицированной форме. Эти же виды хлорофиллов наряду с другими, а также пигментами иных типов (фикобилипротеины, каротиноиды) выполняют функцию антенны. Два компонента фотосинтетического аппарата – реакционные центры и электронтранспортные системы – всегда локализованы в клеточных мембранах, представленных ЦПМ и у большинства фотосинтезирующих эубактерий развитой системой внутриплазматических мембран – производных ЦПМ. У пурпурных бактерий, гелиобактерий и прохлорофит светособирающие пигменты в виде комплексов с белками интегрированы в мембраны. В клетках зеленых бактерий и цианобактерий основная масса светособирающих пигментов находится в особых структурах, прикрепленных к поверхности мембраны, но не являющихся ее компонентом. Это хромосомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий. Пурпурные и зеленые бактерии объединяемые в порядок Rhоdоsрirillаlеs, можно рассматривать как реликтовые организмы. Они не в состоянии использовать в качестве донора водорода воду (как у зеленых растений); им требуются доноры с более высокой степенью восстановления (Н₂S, Н₂, органические вещества). Поэтому фотосинтез у этих бактерий протекает без выделения О₂. В таких случаях говорят об аноксигенном фотосинтезе. Бактерии этой группы – типичные водные организмы, распространенные как в пресной, так и в морской воде. Как уже говорилось они окрашены в соответствии с содержащимися в них пигментами – бактериохлорофиллами и каротиноидами. Оксигенный фотосинтез, т.е. используют в качестве донора водорода воду и выделяют на свету О₂, осуществляют цианобактерии. Процесс фотосинтеза у цианобактерий принципиально не отличается от фотосинтеза зеленых растений, и их называли сине-зелеными водорослями и относили к фотосинтезирующим эукариотам. Однако по строению клеток это типичные прокариоты. Итак, аноксигенный фотосинтез осуществляют пурпурные (Rhоdоsрirillаlеs) и зеленые бактерии (Сhlоrоbiаlеs). По способности использовать в качестве донора электронов элементарную серу в группе пурпурных бактерий выделяют два семейства: пурпурные серные бактерии, или Сhrоmаtiасеае и пурпурные несерные бактерии Rhоdоsрirillасеае. Характерной особенностью Сhrоmаtiасеае является то, что во время окисления Н₂S в их клетках в качестве промежуточного продукта откладывается сера, другие представители этого семейства откладывают серу не в цитоплазме, а вне клеток и там же окисляют ее далее до сульфата. Фототрофные бактерии относятся к организмам, наиболее разносторонним в отношении обмена веществ. В процессе фотосинтеза происходит превращение энергии света в биохимическую энергию. Первичное действие света состоит в том, что в фотохимических реакционных центрах электроны донора переносятся на акцептор в термодинамически невыгодном направлении. По крайней мере, часть электронов возвращается по электрон-транспортной цепи к реакционным центрам. Благодаря особому расположению компонентов электрон-транспортной системы в мембране это сопровождается направленным переносом протонов и созданием протонного потенциала. Т. о, аппарат фотосинтеза – это, прежде всего протонный насос, приводимый в действие светом. Протонный потенциал обеспечивает возможность преобразования энергии путем фосфорилирования. Синтез АТФ происходит с помощью тех же в своей основе механизмов, что и в мембранах аэробных бактерий или митохондрий. Что же касается преобразования энергии света в биохимически полезную энергию АТФ, то здесь нет принципиального различия между фототрофными бактериями и зелеными растениями. У пурпурных бактерий роль фотосинтеза, по-видимому, исчерпывается этим преобразованием. У цианобактерий и зеленых растений можно видеть дальнейший этап эволюции фотосинтеза. У них благодаря последовательному включению 2-х фотореакций энергетический уровень электронов в ходе первой реакции удается поднять настолько, что становится возможным восстановление ферредоксина и НАДФ. Вторая фотореакция позволяет использовать в качестве источника электронов воду. В результате такой комбинации наряду с запасанием энергии происходит восстановление НАДФ и выделение О₂. Т. о., отличия фотосинтеза у бактерий от фотосинтеза у растений: 1) набором пигментов – бактериохлорофилл и бактериородопсин; 2) используемым источником водорода - сероводород, спирты, органические соединения; 3) протеканием фотосинтеза в анаэробных условиях (в отсутствии свободного кислорода). Филогенетически это более древний тип фотосинтеза и позволяет воссоздать эволюцию связывания энергии. Первые живые существа были первично гетеротрофными и использовали для ассимиляции имевшиеся в первичном океане органические молекулы. Первые зачатки фотосинтетических ассимиляционных процессов появились у галобактерий (соляных бактерий), группы архебактерий, Наlоbасtеrium hаlоbium, например, не содержат хлорофилла, но с помощью другого пигмента – бактериородопсина могут использовать энергию света и синтезировать АТФ. Однако энергия, добытая таким способом, недостаточна для освобождения электронов, а, следовательно, и для окисления субстрата. О появлении фотосинтеза мы говорили выше и отметим, что у некоторых групп истинных бактерий 3,3–3,5 млрд. лет назад появился зеленый пигмент (бактериохлорофилл, хлорофилл α, сначала в виде фотосистемы 1, а позже в виде фотосистемы 11), с помощью которых стал возможен фотосинтез. При фотосинтезе посредством бактериохлорофилла в качестве донора водорода используется сероводород. Только с появлением хлорофилла α и двух отдельных фотосистем, а также благодаря появлению сильного окислителя вследствие формирования дефицита электронов (электронных дырок) в молекулах хлорофилла, стал возможен фотолиз воды и вода стала использоваться в качестве восстановителя. Цикл Кальвина (темновые реакции) мог развиваться позднее на основе реакций пентозофосфатного цикла у первичных гетеротрофных организмов. Первичными диссимиляционными процессами были различные формы брожения, субстратами которых сначала явились альдегиды, кетоны и органические кислоты. На основе брожения могли развиться и аэробные процессы распада углеводов через гликолиз и параллельно с ним, через окислительный пентозофосфатный цикл. После того, как фотосинтетические процессы привели к накоплению кислорода в атмосфере в большем объеме, стало возможным дыхание как окислительный путь распада углеводов через ЦТК и электронтранспортную цепь. Эти процессы могли быть очень сходными с таковыми при фотосинтезе, и, может быть, электронтранспортная цепь дыхания и является производной от электронтранспортной цепи фотосинтеза. Образующееся в ходе фотосинтеза органическое вещество стало основой дальнейшего развития первичной гетеротрофности. Так с момента появления гетеротрофных организмов (около 2 млрд. лет) наряду с автотрофными прокариотами и эукариотами развивались гетеротрофные бактерии, грибы и животные. Аэробные хемолитотрофные бактерии. Многие группы почвенных и водных бактерий могут использовать в качестве доноров водорода или электронов неорганические соединения или ионы (ионы аммония, нитрита, сульфида, тиосульфата, сульфита и 2-х валентного железа), а также элементарную серу, молекулярный водород и СО₂, т.е. способны получать в результате их окисления восстановительные эквиваленты и энергию для синтетических процессов. Получение энергии происходит, как правило, в результате дыхания с О₂ как конечным акцептором водорода. Лишь немногие из относящихся к этой группе бактерий способны расти за счет (анаэробного дыхания), используя в качестве акцепторов водорода нитрат, нитрит, закись азота. Такой образ жизни с использованием неорганического донора водорода называют хемолитотрофным. Большинство бактерий с таким типом метаболизма используют СО₂ в качестве единственного или главного источника клеточного углерода и являются автотрофами (хемолитоавтотрофами). Облигатные хемоорганогетеротрофы – это организмы, в которых энергетические процессы различаются исходными субстратами, специфичностью промежуточных окислительно- восстановительных превращений и природой конечных акцепторов электронов; конструктивные – разной степенью развития биосинтетических способностей, т.е. различными потребностями в готовых питательных веществах. Наиболее примитивную и древнюю группу энергетических процессов составляют процессы брожения, когда органическое вещество служит донором и конечным акцептором электронов, а молекулярный кислород в реакциях окислительной природы участия не принимает. Известны молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое и некоторые другие виды брожения, каждое из которых является специфической формой решения «энергетической проблемы» и осуществляется группой прокариот, характеризующихся определенными биосинтетическими способностями. Известны прокариотные организмы, получающие энергию за счет процессов неглубокого или полного окисления органического субстрата молекулярным кислородом. Таким образом, на базе хемоорганогетеротрофного способа питания можно выделить несколько типов жизни, представленных определенными группами прокариот, осуществляющими конкретный тип энергетического метаболизма в сочетании с присущими им особенностями метаболизма конструктивного.

ТЕМА 5.

РОСТ И КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ПРОКАРИОТ

Как сказал известныйфранцузский физиолог Х1Х в. Клод Бернар «Жизнь есть творение». Живые организмы отличаются от неживой природы главным образом тем, что растут и размножаются. Их рост и размножение лучше всего наблюдать у таких одноклеточных микроорганизмов, как бактерии или дрожжи.

Под ростом понимают необратимое увеличение количества живого вещества, обычно связанное с увеличением и делением клеток.
В отличие от многоклеточных организмов, рост которых выражается увеличением размеров тела, у одноклеточных растет количество клеток.

Под ростом прокариотной клетки понимают согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена.
Рост является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регуляторным контролем, и приводит к увеличению массы (а следовательно, и размеров) клетки. Но рост клетки не беспределен. Достигнув определенной величины, она перестает расти. Но жизнь ее при этом не кончается, она продолжает создавать живую материю, и под микроскопом мы можем наблюдать, как в определенный момент она начинает делиться на две части, которые вскоре отделяются друг от друга и становятся двумя самостоятельными равноценными организмами. Так из одной материнской клетки появляются две дочерние. Вырастая, они тоже делятся, и в результате образуются 4-е клетки, затем 8-мь, 16 и т.д. Клетки, возникшие из одной материнской, представляют уже новое поколение (новую генерацию), подобно человеческому потомству.

Время от возникновения клетки до ее деления на последующие две, т.е. продолжительность существования одной генерации называется временем генерации рис. В природенаблюдаетсяопределенная закономерность: чем мельче организм, тем скорее появляется у него потомство. Например, время генерации кишечной палочки Escherichia coli составляет 20 мин, т.е. каждые 20 мин клетка кишечной палочки делится на две. При благоприятных условиях из одной бактериальной клетки в течение только одних суток возникло бы столько бактерий, из котрых можно было бы соорудить пирамиду основанием 1 км², а высотой 1000 м. Также быстро размножается и Vibrio cholerae. Дрожжи размножаются медленнее бактерий, время генерации для них составляет от 2 до 4 часов.

При этом следует различать понятия
увеличение числа клеток; увеличение клеточной массы.

При определении числа или массы бактерий пользуются обычно гомогенной суспензией клеток в водной или другой среде
и определяют
концентрацию бактерий– число клеток в 1мл,или
плотность бактерий– в мг/мл.
Динамика этих показателей в растущей бактериальной культуре позволяет вычислить константу скорости деления клеток – число удвоения концентрации бактерий за 1 час;
и обратную ей величину –
время генерации –интервал времени, за который число клеток удваивается.

1.2. Методы определения числа бактерий:
1. Подсчет под микроскопом общего количества клеток (живых, поврежденных, мертвых) с помощью счетной камеры; электронного счетчика («счетчик Каултера»); мембранных фильтров(в случае менее 106 клеток в 1 мл);

2. Определениечисла живых клетокпутем подсчета выросших колоний, после посева известного количества бактериальной суспензии на твердую питательную среду в чашки Петри.

Методы определения бактериальной массы:
прямые методы:
1. Взвешиванием отфильтрованных или центрифугированных клеток, сырых или после высушивания;

2. Определение содержания общего азота (по Къельдалю), общего углерода
(по ван Слайку – Фолчу);

3. колориметрическое определение содержания бактериального белка – модификацией биуретового метода и др. (количество характерных компонентов белка: тирозина, триптофана);

косвенные методы:
1. определение оптической плотности суспензии – измерение экстинкции, турбидиметрия (светопоглощение), нефелометрия (светорассеяние);

2. показатели интенсивности метаболизма, непосредственно связанные с ростом– поглощение О₂ , образование СО2 ,титрометрически, манометрически, электрохимически.

Т.о. выбор метода определения бактериальной массы зависит от того, с какой целью это определение производится.
Для оценки урожаяобычно взвешивают сырые или сухие клетки отделенные и отмытые от культуральной жидкости.

При определении интенсивности обмена или ферментативной активности исходят из содержания в клетках белка или азота

Размножение прокариот.
Для подавляющего большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток.

При таком способе деления имеет место симметрия в отношении продольной и поперечной оси. Вариантом бинарного деления является почкование,которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление.

При почкованиина одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки, после чего отделяется от последней

Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново. В процессе почкования симметрия наблюдается в отношении только продольной оси. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает.

При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно в большинстве случаев обнаружить морфологические и физиологические различия: есть старая материнская клетка и новая дочерняя. В этом случае можно наблюдать процесс старения.

Так, для некоторых штаммов Rhodomicrobium показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более
4 дочерних клеток.
Дочерние клетки лучше приспосабливаются к меняющимся условиям. Почкование обнаружено в разных группах прокариот

Бинарное деление может происходить в одной или нескольких плоскостях.
В первом случае, если после деления клетки не расходятся, это приводит к образованию цепочек палочковидных или сферических клеток,

во втором – к клеточным скоплениям разной формы. Расхождение образовавшихся дочерних клеток происходит в результате лизиса среднего слоя клеточной стенки.

Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано размножение путем множественного деления.

Оно начинается с предварительной репликации хромосомы и увеличения размеров вегетативной клетки, которая затем претерпевает ряд быстрых последовательных бинарных делений,происходящих внутри дополнительного фибриллярного слоя материнской клеточной стенки.

Таким образом, в основе множественного деления лежит принцип равновеликого бинарного деления. Отличие заключается в том, что в этом случае после бинарного деления не происходит роста образовавшихся дочерних клеток, а они снова подвергаются делению.

Итак, определение жизни, данное К. Бернаром, вполне применимо к миру микроорганизмов. Микробы растут и размножаются. Рост и размножение микроорганизмов относительно легко наблюдать и изучать. Как же наблюдать с достоверностью рост и размножение микрооррганизмов? Ж.Моно из Пастеровского института в Париже опубликовал работу

«Исследования роста бактерий» в 1942 г. Методы Ж. Моно стали классическими для современной микробиологии. Размножение бактерий ученый графически изобразил при помощи кривой роста, показывающей изменение численности бактерий за определенное время. Согласно Моно, размножение популяции бактерий происходит следующим образом. Моно имел опыт ряда предшественников, изучавших размножение микробов.

Особенности строения базального тела определяются, таким образом, строением клеточной стенки. Интактность последней необходима для движения жгутиковых бактерий. Обработка клеток лизоцимом, приводоящая к удалению пептидогликанововго слоя клеточной стенки, вызывает и потерю способности бактерий к движению, хотя жгутики остаются при этом неповрежденными. Предполагают, что вращение жгутика определяется вращением М-кольца. Другие кольца базального тела неподвижны и служат для крепления стержня, проходящего через клеточную стенку грамотрицательных эубактерий. У грамположительных эубактерий эту функцию в основном выполняет многослойный жесткий пептидогликановый мешок. Прокариотная клетка обладает механизмом, позволяющим превращать электрохимическую форму энергии непосредственно в механическую. При этом движение жгутиковых прокариот обеспечивается энергией трансмембранного электрохимического потенциала (Δμ_н+), причем обе его составляющие – электрическая (ΔΨ) и концентрационная (ΔрН) – поддерживают движение. Скорость движения жгутиков прямо зависит от величины мембранного потенциала. Молекулярное устройство, обеспечивающее это превращение, пока не выяснено, но должно быть весьма эффективным, т. к. энергия, расходуемая на движение, составляет десятые доли процента от общего количества энергетических потребностей клетки. Формы движения бактерий: при помощи внутриклеточных структур, так называемых аксиальных фибрилл; скользящее и определяющееся теми или иными внешними факторами, называемыми таксисами. Аксиальные фибриллы обнаруживают сходство с бактериальными жгутиками, а отличие от них состоит в том, что аксиальные фибриллы обеспечивают движение, как в жидкой среде, так и по твердому субстрату. Например, спирохеты совершают движения 3-х типов: быстро вращаются вокруг длинной оси спирали, способны к изгибанию клеток и осуществляют передвижение по винтовому или волнообразному пути. Для спирохет (так же как для типичных жгутиковых бактерий) показано, что движение обеспечивается энергией в форме Δμ_н+. Таким образом, этот тип движения свидетельствует о возможности работы двигательного аппарата клетки, который находится в «закрытом» клеточными структурами состоянии. Скольжение – определяется как способность организма передвигаться по твердому или полужидкому субстрату без помощи наружных локомоторных структур – жгутиков. Способность к скольжению обнаружена у разных групп прокариот, как одноклеточных, так и многоклеточных, имеющих нитчатое строение: некоторых микоплазм, миксобактерий, цитофаг, нитчатых серобактерий, цианобактерий и др. Общим для всех скользящих организмов является способность к выделению слизи. У нитчатых цианобактерий фибриллы формируют единую систему, непрерывно в виде спирали, обволаквивающую весь трихом (нить). Скольжение нитчатых форм сопровождается и одновременным их вращением, так что любая точка на поверхности трихома описывает при движении спираль. Направление вращения является видоспецифическим признаком и коррелирует с направлением хода спирали белковых фибрилл. Скользящее движение в разных группах бактерий обеспечивается энергией в форме АТФ или Δμ_н+. Подвижные бактерии активно перемещаются в направлении, определяемом теми или иными внешними факторами, т. н. таксисами, которые в зависимости от фактора различают хемотаксис (частный случай – аэротаксис), фототаксис, магнитотаксис, термотаксис и вискозитаксис. Хемотаксис – движение в определенном направлении относительно источника химического вещества. Для каждого организма все химические вещества в этом плане могут быть разделены на 2-ве группы: инертные и вызывающие таксисы (эффекторы). Среди последних выделяют аттрактанты (вещества, привлекающие бактерий) и репелленты (вещества, отпугивающие бактерий). Например, кислород – аттрактант для аэробных микроорганизмов и репеллент для анаэробов. Аттрактанты часто представлены пищевыми субстратами, хотя не все вещества, необходимые для организма, выступают в качестве аттрактантов. Также не все ядовитые вещества служат репеллентами и не все репелленты вредны. Фототаксис, т. е. движение к свету или от него, свойственен прежде всего фототрофным бактериям. Способность перемещаться по силовым линиям магнитного поля Земли или магнита – магнитотаксис – обнаружен у разных бактерий, обитающих в морской и пресной воде. В клетках этих бактерий найдены непрозрачные частицы определенной геометрической формы – магнитосомы, заполненные железом в форме магнетита (Fе₃О₄) и выполняющие функцию магнитной стрелки. На долю магнетита может приходиться до 4 % сухого вещества бактерий. В северном полушарии такие магниточувствительные бактерии плывут в направлении северного полюса Земли, в южном – в направлении южного. Вискозитаксис – способность реагировать на изменение вязкости раствора и перемещаться в направлении ее увеличения или уменьшения. У бактерий с перитрихиальным жгутикованием выявлены два вида двигательного поведения: прямолинейное движение и кувыркание, т. е. периодические и случайные изменения направления движения. К поверхностным структурам бактериальной клетки относятся также ворсинки (фимбрии, пили). Их насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч на клетку. Эти структуры не имеют отношения к движению бактерий и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. Ворсинки построены из одного вида белка – пилина – и представляют собой прямые белковые цилиндры, отходящие от поверхности клетки. Ворсинки расположены перитрихиально или полярно. Наиболее изученная бактерия Е. соli имеет ворсинки общего типа и половые. Ворс