Биологические факторы
Все живые существа, включая микроорганизмы, обитают в природе не изолированно, а в биоценозах, где представители различных видов оказывают значительное влияние друг на друга. Возникающие при этом положительные или отрицательные взаимоотношения называют биологическими факторами.
В процессе эволюции каждая группа организмов вынуждена была адаптироваться к окружающим ее особям. Лишь немногие из них приобрели способность развиваться в химико-физических нишах, т.е. там, где не могут существовать другие.
Между живыми существами вырабатывались отношения зависимости адаптации к существованию с другой формой жизни. После того как прокариоты и эукариоты поднялись на современным уровень развития, появились более совершенные формы жизни животные и растения, представляющие собой возможные места обитания для микробов. Таким образом, создалось множество взаимных или односторонних отношений между организмами.
При одновременном попадании в субстрат двух или нескольких микроорганизмов, принадлежащих к разным видам, между ними устанавливаются следующие типы взаимоотношений:
1. Индифферентные отношения - независимое развитие
двух видов. В этом случае микроорганизмы не оказывают влияния друг на друга, но имея сходные потребности в питательных
веществах, со временем они становятся конкурентами за субстрат, что неизбежно приводит к преобразованию одного организма над другим.
2. Симбиоз - (от греч. symbiosis - сожительство) тесное совместное существование разных видов, оказывающих друг на
друга благоприятное воздействие (мутуалистический симбиоз).
Симбиотическое отношения широко варьируют по степени их взаимной близости. Их можно условно разделить на две категории в зависимости от пространственных отношений: эктосимбиоз (внешнее положение микроорганизма по отношению к хозяину) и эндосимбиоз (микроорганизм развивается внутри клеток хозяина). Особый случай симбиоза - синантропные организмы: животные, растения, грибы и микроорганизмы, которые приспособились к существованию рядом с человеком. Синантропизация микроорганизмов привела к возникновению микробов - возбудителей различных болезней, характерных лишь для человека, а также бактерий, которые приспособились к новой среде обитания, связанной с индустриализацией. Например, появились бактерии, способные усваивать искусственные полимеры.
Различают следующие виды симбиоза.
Метабиоз - форма взаимоотношений, когда продукты обмена одного вида микроорганизма служат питательным материалом для другого. Например, дрожжи, развиваясь в сахаристых субстратах, образуют спирт. После этого в культуральной среде, содержащей спирт, могут развиваться уксуснокислые бактерии, окисляющие спирт в уксусную кислоту, а последняя используется микроскопическими грибами, которые утилизуют ее до диоксида углерода и воды. Гнилостные бактерии разлагают органические субстраты до аммиака, который впоследствии окисляется бактериям нитрофикаторами. Таким образом, при метабиозе один вид микроорганизмов создаёт в процессе жизнедеятельности благоприятные условия для развития другого вида, обусловливая тем самым этапность процессов и смену одних форм микроорганизмов другими. Следовательно, метабиоз основа круговорота веществ в природе.
Комменсализм неярко выраженная форма мутуалистического (взаимовыгодного) симбиоза, когда пользу из совместного существования извлекает только один партнер. Примером может служить ассоциация аэробных и анаэробных бактерий: аэробы быстро восстанавливают кислород и делают среду, благоприятной для анаэробов. К комменсализму следует отнести и симбиотические отношения между представителями нормальной микрофлоры кишечника человека и животных с организмом хозяина. В частности, целлюлозные компоненты кормов (до 90%) подвергаются в рубце жвачных разложению бактериями до жирных кислот и спиртов, которые всасываются здесь же в рубце. Сами бактерии при переходе содержимого рубца в кишечник перевариваются так, что вещество их клеток тоже подвергается разложению и усваивается животным. Таким образом, благодаря бактериям-комменсалам жвачные животные усваивают целлюлозу. Кроме того, симбиотическая микрофлора рубца обеспечивает синтез белка. Это объясняется тем, что мочевина, образующаяся в печени в процессе обезвреживания аммиака, частично выводится с мочой, а основная ее масса поступает через слюнные железы и стенку рубца жвачных в первые отделы желудка, где может использоваться микроорганизмами рубца для синтеза белка.
Синергизм - форма симбиотических отношений, при которых разные особи микробной ассоциации имеют одинаковые физиологические процессы, в результате, чего увеличивается выход конечных продуктов. Так, при совместном культивировании Azotobacter и Bacillus mycoides увеличивается выход стимулятора роста гетероауксина.
Сателлизм - это стимуляция роста одного микроба продуктами жизнедеятельности другого, который затем становится его спутником. Например, дрожжи Saccharomyces cerevisiae продуцируют витамины группы В, которые благоприятно влияют на других микробов.
Антагонизм - это форма конкурентных взаимоотношений, когда один микроорганизм угнетает или вызывает гибель другого. Открытие его принадлежит Л.Пастеру (1877), который наблюдал подавление роста сибиреязвенной палочки под влиянием синегнойной бактерии, случайно попавшей в среду.
Антагонизм обусловлен, во-первых, более быстрым использованием питательных веществ среды одним из партнеров, имеющих сходные потребности. Подобная конкуренция возникает при увеличении численности популяции вида, обладающего более быстрым обменом веществ по сравнению с партнером. Во-вторых, пассивный антагонизм может быть связан с использованием в качестве питания клеток своею конкурента (насильственный антагонизм, т.е. паразитизм или хищничество). Например, при совместном культивировании стрептококков и ацидофильной палочки в условиях недостатка питательных веществ, последняя выделяет протеазы и лизирует бактерии, всасывая образовавшиеся продукты ферментативного распада. Яркий пример паразитизма - это бактерия Bdellovibrio bacteriovorus, которая проникает через клеточную стенку в периплазматическое пространство грамотрицательных бактерий, делится и «растворяет» клетку-хозяина, отличаясь от бактериофагов тем, что лизирует как растущие, так и нерастущие клетки. Хищничество состоит в том, что паразит (хищник) умерщвляет жертву в течение короткого времени и питается только свежеубитыми организмами.
Активный антагонизм (антибиоз) связан с образованием продуктов обмена, вызывающих подавление развития и полное отмирание микроорганизмов под влиянием веществ, вырабатываемых конкурентами. Например, молочнокислые бактерии вырабатывают молочную кислоту, исключающую развитие гнилостной микрофлоры; дрожжи продуцируют спирт, микромицеты - лимонную кислоту, уробактерии аммиак и т.д., метаболиты, останавливающие развитие других микроорганизмов. В большой мере антибиоз обусловлен образованием антибиотиков.
Антибиотики продукты обмена микроорганизмов, способные в незначительных количествах избирательно задерживать рост или убивать микробы. В отличие от дезинфицирующих антисептикой действуют избирательно, подавляя только определенные виды микроорганизмов. Антибиотики оказывают бактериостатическое, бактерицидное и бактериолитическое действие.
К антибиотикам микробного происхождения следует отнести стрептомицин (продуцент - Streptomyces griseus), тетрациклин (продуцент Actinomyces aureofaciens), эритромицин (продуцент - Actinomyces erythreus), нистатин (продуцент Streptomyces noursei), субтилин (продуцент - Bacillus subtilis), грамицидин (продуцент — Bacillus brevis). полимиксин (продуцент - Bacillus polymyxa), низин (продуцент - Lactotococcus lactis), пенициллин (продуцент - Penicillium notatum).
Антибиотические вещества нашли широкое применение в консервной промышленности: при сохранении свежего мяса, рыбы, птицы; при хранении сыров и молочных продуктов, фруктов, овощей. Применение их при консервировании продуктов питания позволяет значительно снижать длительность термообработки, что сохраняет витамины, вкусовые качества, консистенцию продукта и обеспечивает гибель клостридиальных и термофильных бактерий, устойчивых к температуре.
Антибиотики животного происхождения обнаружены в слезах, носовой слизи, слюне, яичном белке. Лизоцим подавляет в силу своей неспецифичности как Г+, так и Г- микрофлору. Однако первые более чувствительны. Экмолин действует на возбудителей дизентерии, тифа, стафилококки, вирусы гриппа. Эритрин обнаружен в эритроцитах крови. Антибиотики животного происхождения способствуют созданию иммунитета различного рода заболеваниям, являясь естественным барьером для проникающей инфекции.
Метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов
1. Понятие метаболизма, катаболизма, анаболизма и их взаимосвязь.
2. Дыхание, как одна из форм катаболизма.
3. Спиртовое брожение. Химизм, характеристика возбудителей, значение в пищевой биотехнологии.
4. Молочнокислое брожение. Химизм, характеристика возбудителей, значение в пищевой биотехнологии.
5. Брожение смешенного типа. Химизм, характеристика возбудителей.
6. Маслянокислое брожение. Химизм, характеристика возбудителей.
1. Совокупность химических реакций, в результате которых из сравнительно простых веществ внешней среды, образуется новое клеточное вещество и энергия, а так же все другие химические проявления жизнедеятельности называется метаболизмом.
Метаболизм состоит из двух противоположных, взаимоисключающих и одновременно взаимодополняющих друг друга процессов: катаболизма (энергетический обмен) и анаболизма (конструктивный обмен).
Катаболизм – процесс расщепления органических веществ, который происходит в основном за счет реакций окисления, в результате чего выделяется энергия. Может протекать с участие кислорода и без него.
У микроорганизмов известны две формы катаболизма:
- дыхание
- брожение
Дыхание – это сложный процесс биологического окисления с участием кислорода, связанный с образованием большого количества энергии в форме АТФ. Различают:
- аэробное дыхание – полное окисление субстратов с участием молекулярного кислорода до углекислого газа и воды.
- анаэробное дыхание – с участием «связанного» кислорода.
- неполное окисление – с участием кислорода и накоплением неполно окисленных продуктов.
Брожение – это жизнь без кислорода. Осуществляется неполный распад органических веществ с образованием незначительного количества энергии и продуктов, богатых энергией.
Отщепляемый от органического вещества водород передается не на кислород, а на органическое соединение, образующееся в ходе самого брожения, т.е. это процесс окисления без кислорода.
В зависимости от основного вещества, образующегося в ходе брожения различают:
- спиртовое
- молочнокислое
- маслянокислое и другие.
Катаболизм – это процесс распада веществ, т.е. диссимиляция с образованием энергии.
Установлено, что микробная клетка запасается энергией в форме соединений, обладающих макроэ. ргической связью (АТФ, АДФ, УТФ). При гидролитическом расщеплении этой связи, от нуклеотида отщепляется один остаток фосфорной кислоты и освобождается энергия, которая используется в процессе биосинтеза. Основной носитель энергии - АТФ, который образуется путем субстратного фосфорилирования и транспорта электронов по дыхательной цепи. Энергия используется в процессах анаболизма.
Анаболизм включает процессы синтеза макромолекул клетки из более простых соединений, присутствующих в окружающей среде, связан с потреблением энергии и синтезом веществ, участвующих в процессах катаболизма (ферментов). Т.о. анаболизм и катаболизм протекают в клетке одновременно, многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими. Их невозможно разделить, как невозможно разделить процессы дыхания и питания.
Основная роль в обмене веществ принадлежит ферментам.
Экзоферменты – не связаны со структурой цитоплазмы, легко выделяются из клетки при ее жизни, связаны с процессами питания (гидролазы).
Эндоферметы – прочно связаны со структурами цитоплазмы, действуют только внутри клетки, синтезируются независимо от присутствия в среде индуктора, осуществляют дальнейшее разложение поступивших в клетку веществ (оксидоредуктазы, трансферазы, изомеразы и т.д.).
Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, которые повышают скорость химических реакций в живых организмах, не входят в состав конечных продуктов этой реакции.
По своим свойствам они близки к белкам.
Свойства ферментов
- высокомолекулярные
- гидрофильные
- денатурируют под действием высоких температур, крепких кислот, щелочей
- высаливаются из растворов.
По химическому составу выделяют:
- однокомпонентные – только белковой природы
- двухкомпонентные – белковая часть – ферон, небелковая – агон.
Агон выполняет активную роль. В состав его могут входить витамины, мононуклеотиды, ионы металлов или другие активные группы (никотинамидаденидинуклеотид,НАД→агон анаэробной дегидрогеназы; флавинадениндинуклеотид, ФАД –агон аэробной дегидрогеназы)
Механизм действия ферментов:
Каталитические функции ферментов проявляются в снижении энергии активации, необходимой молекуле, чтобы вступить в реакцию. Это происходит за счет образования фермент-субстратного комплекса, где субстрат – это вещество, на которое действует фермент.
Допустим, что у нас вещество АВ, должно расщепиться на А и В.
В присутствии фермента образуется фермент-субстратный комплекс: (АВЕ), где АВ – субстрат, Е – фермент.
АВ+Е→А В Е, при этом W активации снижается.
АВЕ→А+ВЕ
ВЕ→В+Е
При этом происходит глубокая деформация разрываемой связи в веществе АВ.
При изучении каталитической активности ферментов используют количественную оценку скоростей катализируемых реакций.
Кинетика – это наука, изучающая закономерности изменения скорости реакции.
Основные закономерности:
1. Скорость ферментной реакции зависит от концентрации фермента.
V=f (E)
V=k х Е, где Е – концентрация фермента.
k=tgα
Уравнение справедливо, если [Е]« [S], то есть концентрация фермента значително меньше концентрации субстрата
Для различных ферментов К различно.
2. Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата и описывается основным уравнением Михаэлиса – Ментен
V=Vmax[S]/Km+[S]
где V – скорость реакции
Vmax – максимальная скорость реакции
Кm – константа Михаэлиса: физический смысл которой состоит в том, что она соответствует концентрации субстрата, при которой V=½Vmax.
Графически зависимость выглядит так:
n- порядок реакции
Особенности ферментативного катализа
1. Обратимость – способны ускорять реакции синтеза и расщепления.
2. Специфичность - каждый фермент действует только на свой конкретный субстрат и даже на конкретную связь в нем. Например: амилазы действуют на крахмал. Причем α-амилаза действует на эндо- 1,4-гликозидную связь, а β-амилаза – на экзо- α-1,4- гликозидную связь. Эстеразы действуют на жиры. Протеиназы – на белки и т. д.
3. Лабильность (чувствительность) – активность ферментов или скорость ферментной реакции зависит от условий, в которых она протекает. Основные факторы – рН и температура. Кривая зависимости имеет колоколообразный вид.
4. Ферменты имеют высокую активность, где активность - количество молей субстрата, которые превращаются в продукты реакции одним молем фермента за одну минуту. Есть вещества - активаторы, повышающие активность действия ферментов, и есть вещества – ингибиторы, снижающие активность ферментов.
Классификация ферментов
Строится с учетом природы катализируемой реакции.
Различают 6 классов:
1. Окислительно-восстановительные – ферменты (оксидоредуктазы) – это дегидрогеназы, электроназы, каталазы.
2. Трансферазы – катализируют перенос радикалов частей молекул от одних соединений к другим (фосфоферазы катализируют перенос остатков фосфорной кислоты).
3. Гидролазы – катализируют реакции гидролиза – расщепление субстратов в присутствии воды.
4. Лиазы – катализируют реакции отщепления от субстрата определенных групп с образованием двойных связей.
5. Изомеразы (изомеризуют молекулы) – гексоизомераза катализирует превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат.
6. Лигазы (синтетазы) катализируют синтез органических соединений, связанный с расщеплением пирофосфатной связи в АТФ
По расположению клетки, по месту действия все ферменты делятся на экзоферменты и эндоферменты. Экзоферменты связаны с внеклеточным питанием. Эндоферменты действуют внутри клетки.
Катаболические реакции, общие для дыхания и брожения.
И брожение, и дыхание на первом этапе имеют общую анаэробную стадию: глюкоза превращается в пировиноградную кислоту. У разных микроорганизмов используются различные пути этого превращения:
1. Эмбдена – Мейергофа – Парнаса (ЭМП, или фруктозодифосфатный путь, или гликолиз).
2. Энтнера – Дудорова (КДФГ – 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь).
3. Пентозофосфатный путь (ПФ).
C6H12O6
CH3COCOOH
ЭМП
Путь ЭМП универсален. Ферменты этого пути присутствуют почти во всех микроорганизмах. Он начинается с фосфорилирования глюкозы.
С6Н12О6→глюкозо-6-фосфат→фруктозо-6-фосфат→фруктозо-1,6-дифосфат
Затем под действием фермента альдолазы образуются две молекулы – 3ФГА (фосфо-глицеринового альдегида). Дальнейшие превращения осуществляются за счет переноса водорода и фосфорного остатка через ряд органических кислот с участием специфических дегидрогеназ. В результате образуется пировиноградная кислота. На этапе от ФГА до СН3СОСООН образуется четыре молекулы АТФ, а затрачивается всего две, следовательно общий выход энергии – две молекулы АТФ.
2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь.
Глюкоза фосфорилируется, но не изомеризируется во фруктозо-6-фосфат, вместо этого образуется 6-фосфо-глюконовая кислота.
С6Н12О6→глюкозо-6-фосфат→6-фосфо-глюконовая кислота
6-фосфо-глюконовая кислота дегидратируется и образуется КДФГ,
СООН СООН
| |
СНОН С=О
|
СНОН → СН2
| |
СНОН6 (СН2ОН)2
| |
СНОН СН2ОР
|
СН2О-фосфат
который подвергается дальнейшему превращению, расщепляясь на пировиноградную кислоту и фосфоглицериновый альдегид. Он преобразуется как в пути ЭМП. Общий энергетический выход – две молекулы ПВК, одна молекула АТФ и две молекулы НАДН2. Этот путь универсален для бактерий, главным образом, для аэробных.
3-й путь: пентозо-фосфатный (ПФ путь).
Пентозо-фосфатный путь идет как 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь. Аналогичен второму пути до образования 6-фосфоглюконовой кислоты, которая декарбоксилируется (-СО2) и превращается в пентозофосфат. Дальнейшее превращение следует рассматривать как переход пентозофосфата в гексозофосфат и обратно. Это циклический путь окисления углеводов (явно побочный). Основное его значение – поставляет пентозы для синтеза нуклеиновых кислот. Энергетический выход аналогичен КДФГ пути.
Микроорганизмы существенно различаются между собой по степени использования того или иного пути окисления углеводов. Ферменты гликолиза (первого пути) – обязательные компоненты клетки, хотя у большинства бактерий этот путь действует в обратном направлении. Центральное место в промежуточном метаболизме занимает пировиноградкая кислота, дальнейшее ее преобразование зависит от вида микроорганизма, набора его ферментных систем.
Аэробное дыхание:
Аэробное дыхание присуще строгим и факультативным аэробам, имеющим окислительный тип обмена веществ.
Включает две фазы:
1 Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) - серия реакций, благодаря которым органический субстрат окисляется до углекислого газа, а отщепленный водород передается по цепи органических кислот. В результате чего одно вещество окисляется, а другое восстанавливается с участием специфических дегидрогеназ, т.е происходит цикл Кребса (или цикл трикарбоновых кислот (ЦТК).
Основные реакции ЦТК – декарбоксилирование и дегидрирование. Значение ЦТК заключается в том, что образуются предшественники для биосинтеза макромолекул клетки.
2.Вторая фаза аэробного дыхания заключается в окислении освобождающихся атомов водорода, кислородом воздуха с образованием АТФ. Атомы водорода подхватываются анаэробной дегидрогеназой НАДН2, затем ФАДН2, и переносятся по дыхательной цепи, которая состоит из системы цитохромов.
По сути переносится не водород, а электроны. При переносе электрона на отдельных участках дыхательной цепи образуется свободная энергия. В клетках (митохондриях или лизосомах) имеется механизм, объединяющий выделение свободной энергии и образование АТФ. Этот механизм называется окислительным фосфорилированием. Атомы водорода подхватывают атомы кислорода и образуется вода. Таким образом, аэробное дыхание – это полное окисление субстратов кислородом воздуха до воды и углекислого газа с образованием большого количества энергии в форме АТФ.
Все аэробы и все факультативные анаэробы имеют дыхательную цепь. Большинство факультативных анаэробов, все строгие анаэробы не имеют цепи переноса электронов. У них атомы водорода с ФАД сразу попадают на кислород воздуха и образуется перекись водорода, которая накапливается в клетке и отравляет ее.
Неполное окисление
Ряд бактерий (например, Pseudomonos), мицелиальные грибы, не полностью окисляют углеводы. В среде накапливаются неполно окисленные органические субстраты (например, лимонная, янтарная, молочная кислоты, т.е. кислоты ЦТК). Например, аспергиллус нигер используют для получения лимонной кислоты. Так как процессы идут в присутствии кислорода воздуха, то с энергетической точки зрения они ближе к дыханию.
Анаэробное дыхание
Анаэробное дыхание – тип метаболизма, при котором окисленный водород переносится не на кислород воздуха, а на кислород неорганических соединений («связанный кислород»). Носителем кислорода могут быть сульфаты, карбонаты, нитраты. Энергии извлекается всего на 10% меньше, чем при дыхании. Так как участвует не кислород, а «связанный кислород», то называется анаэробное дыхание. Pseudomonos и Bacillus имеют нитратное дыхание.
Брожение
Из трех возможных способов регенерации энергии (АТФ): фотосинтез, дыхание, брожение; брожение наиболее простой путь, кислород не участвует, выход энергии в 30 раз меньше, чем в аэробных условиях, но образуются продукты, богатые энергией. Тип брожения называется по основным продуктам. Зависит тип брожения от специфики микроорганизмов. Как и при дыхании, брожение начинается с образования пировиноградной кислоты, а дальше она превращается в клетке микроба по метаболическому пути, свойственному этому типу.
Спиртовое брожение
Основные возбудители – Saсcharomyces cerevisiae. Пировиноградная кислота при спиртовом брожении декарбоксилируется под действием пируватдекарбоксилазы, в результате образуется углекислый газ и альдегид:
СН3СОСООН→СО2+СН3СОН
На втором этапе с участием алкогольдегидрогеназы:
НАДН2→НАД
СН3СОН С2Н5ОН
Общее уравнение брожения:
С6Н12О6→2С2Н5ОН+2СО2
Пировиноградная кислота образуется по ЭМП пути.
В анаэробных условиях брожение идет интенсивно, но роста клеток почти не происходит. При аэрации брожение ослабевает. Подавление брожения кислородом называется эффектом Пастера.
рН=4-5, температура - 30°С
При изменении рН до 8, образуются уксусная кислота, спирт, углекислый газ и глицерин.
Молочно-кислое брожение
Возбудители – молочно-кислые бактерии, факультативные анаэробы, длинные и короткие цепочки кокков или палочек: Lactococcus и Lactobacillus. Способны только к брожению, но кислород для них не яд. Г+ аукстрофы, большинство неподвижны. В зависимости от того, какие образуются продукты различают типы молочно-кислого брожения:
1. Гомоферментативное – образуется только молочная кислота
С6Н12О6→2СН3СНОНСООН
Пировиноградная кислота образуется по ЭМП.
3. Гетероферментативное – образуется молочная кислота, спирт, углекислый газ. Пировиноградная кислота образуется по ПФ пути.
4. Бифидоброжение - образуется молочная и уксусная кислоты в соотношении 2:3. Пировиноградная кислота образуется по КДФГ пути и иногда по ПФ пути.
Характеристика этих бактерий: строгие анаэробы, Г+, неподвижны, раздвоенные палочки.
Масляно-кислое брожение
Возбудители – Clostridium, строгие анаэробы, образуют споры, Г+.
Химизм очень сложный. Пировиноградная кислота образуется по ЭМП, а также превращается в кислоты: масляная, уксусная, молочная; спирты: бутанол, этанол, изопропанол, ацетон и газы: водород и углекислый газ. Характер конечных продуктов определяется видом микроорганизма, составом питательной среды, рН и температурой.
Брожение смешанного типа
Возбудители – семейство Enterobacteriaceaе. Образуются различные продуты, но в основном, муравьиная кислота (НСООН), которая распадается НСООН→ СО2+ Н2
Характеристика возбудителей: Г-, подвижные, бесспоровые, факультативные анаэробы, нетребовательны к питанию.
Представители: Escherichia coli, Salmonella, Shygella, Proteus (кишечная микрофлора). Условно-патогенные и патогенные. Кроме муравьиной, образуются янтарная, молочная, уксусная кислоты, этанол, бутандиол, газы (углекислый газ и водород).