дихання мікробів
Дихання є джерелом енергії для живих істот. Відбуваються в мікробної клітці синтетичні процеси побудови протоплазми, процеси росту, розмноження, руху та ін. Вимагають припливу вільної енергії, так як ці процеси ендотермічну. Тому в мікробної клітці постійно відбуваються одночасно з процесами асиміляції процеси дисиміляції, що звільняють енергію для її життєдіяльності.
Сукупність біохімічних процесів, в результаті яких утворюється енергія, необхідна для життєдіяльності клітини, становить енергетичний обмін. На противагу вищим організмам енергетичний обмін у мікроорганізмів має різноманітні форми: дихання, бродіння і ін.
Диханням називається окислення органічних речовин за допомогою газоподібного кисню до вуглекислоти і води. Так, окислення цукру в процесі дихання виражається рівнянням С6 Н12 ПРО6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2 О + енергія. Це рівняння протилежно рівняння фотосинтезу 6СО2 + 6Н2 О + енергія = C6 H12 ПРО6 + 6O2.
У 1861 р Луї Пастер при вивченні олійно-кислого бродіння встановив, що збудник цього бродіння (Вас. Butyricus) нормально розвивається тільки в відсутність вільного кисню, енергію він доручає за рахунок реакції розщеплення органічного субстрату. Пастер визначив суть бродіння як життя без кисню. Кисень повітря не приймає участі в бродінні, а органічна речовина окислюється за рахунок відібрання водню, який приєднується до продуктів розпаду цього ж органічної речовини або виділяється в газоподібному стані.
Автотрофи отримують енергію за рахунок окислення простих неорганічних сполук: сірководню, аміаку, водню. Денітрифікуючі і десульфофіцірующіе бактерії отримують енергію шляхом окислення відповідно нітратів і сульфатів, але вони можуть отримувати енергію і за рахунок окислення органічних речовин. У деяких мікробів реакція окислення киснем не доходить до кінцевих продуктів - СО2 і Н2 О. Такий неповний окислювальний процес спостерігається у оцтовокислих бактерій, що окислюють спирт тільки до оцтової кислоти, і деяких видів цвілі, що розкладають цукор до щавлевої і лимонної кислот.
Гнильні бактерії використовують енергію, що звільняється при розщепленні ними білків, при цьому енергія хімічних зв'язків амінокислот перетворюється в енергію АТФ.
По відношенню до кисню мікроби поділяються на дві групи: аероби, що розвиваються тільки при наявності кисню в навколишньому середовищі, і анаероби, які розвиваються при відсутності вільного кисню. Крім того, є ще одна проміжна група - факультативні анаероби, здатні жити як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Є також мікроаерофіли, що розвиваються при зменшеній кількості кисню в середовищі, наприклад бруцеллезная паличка.
Утвориться хімічна енергія тільки частково розсіюється у вигляді тепла. Більша ж частина цієї енергії вловлюється і зберігається у вигляді макроергічних зв'язків АТФ. Фосфатні групи пов'язані між собою неміцно і легко звільняють свою енергію в потрібних кількостях там, де вона необхідна для життєдіяльності клітини. АТФ, втрачаючи енергію, перетворюється в АДФ (аденозиндифосфат) і в АМФ (аденозинмонофосфат).
АТФ, АДФ, АМФ і фосфорна кислота завжди присутні в різних співвідношеннях в кожній клітині. Реакції ці оборотні, АМФ і АДФ можуть приєднувати до себе фосфорну кислоту і перетворюватися в АТФ. Так забезпечується більш-менш постійне кількість АТФ в клітині. Запас АТФ в клітині обмежений. Для відновлення макроергічних зв'язків АТФ весь час використовується енергія розщеплення вуглеводів та інших речовин.
Довгий час вважали, що процес дихання властивий вищим організмам, а бродіння тільки мікроорганізмам. Потім було встановлено, що вони тісно пов'язані один з одним. Дихання і бродіння є дуже складні комплекси пов'язаних окисно-відновних процесів, які визначаються тим чи іншим набором ферментів.
У всіх енергетичних процесах в клітці можна розрізнити три стадії. У першій, підготовчій стадії великі молекули вуглеводів, жирів, білків розпадаються на невеликі молекули глюкози, гліцерину, жирних кислот, амінокислот. Відбувається підготовка речовин до подальших перетворень, тут не відбувається помітного добування енергії.
У наступній стадії, званої стадією неповного окислення, що утворилися глюкоза, жирні кислоти та інші речовини піддаються складного багатоступінчатому процесу. Таке неповне окислення, яке називається гликолизом або бродінням. Ця стадія анаеробна. Гліколіз є більш десяти послідовних ферментативних реакцій. З глюкози послідовно утворюється десять різних проміжних речовин (субстратів) і діє стільки ж специфічних ферментів. Весь цей процес йде за типом молочнокислого бродіння, що викликається молочнокислими бактеріями, і має багато схожого зі спиртовим бродінням, що викликається дріжджами.
Процес починає фермент гексокіназа, під впливом якого глюкоза вступає в реакцію з АМФ і утворюється гексозо-6-фосфат. Гексозо-6-фосфат під дією ферменту алдолази переходить у фруктозо-6-фосфат і т. Д. Кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота. Сумарне рівняння всього процесу виражається так: С6 Н12 ПРО6 = 2С3 H6 О3.
Останньою стадією процесу є повне окислення субстратів до кінцевих продуктів - СО2 і Н2 О. Ця стадія протікає в аеробних умовах. Отже, вона є тільки у аеробів. У цій стадії беруть участь органічні кислоти, що складаються з трьох вуглецевих атомів, чому і назвали її циклом трикарбонових кислот (Крепс, 1953).
Цикл починається з того, що дві молекули молочної кислоти окислюються і дають дві молекули піровиноградної кислоти. Одна з молекул піровиноградної кислоти окислюється з відщепленням однієї молекули вуглекислоти, і утворюється оцтова кислота. Вуглекислота зв'язується з іншою молекулою піровиноградної кислоти, і утворюється щавелевоуксусная кислота. Оцтова кислота з'єднується з коферментом А, відбувається конденсація її з щавелевоуксусной кислотою і водою, і утворюється лимонна кислота.
Лимонна кислота перетворюється в аконітову кислоту. Далі відбувається ще ряд перетворень з утворенням знову щавелевоуксусной кислоти, і па цьому цикл закінчується. Лимонна кислота виявляється вся розкладеною. З ферментів в циклі беруть участь дегідрогенази НАД, ФАД, цитохроми. Так, при дегідрованіі бурштинової кислоти в циклі від неї віднімається електрон, він переноситься на ФАД, і утворюється ФАД-Н2. бурштинова кислота окислюється в фумаровую кислоту. Електрони далі просуваються по ланцюжку цитохромов до кисню. Відбувається з'єднання з активованим цитохромоксидазой киснем з утворенням води. Безпосередньо ж кисень в реакціях не бере.
Мал. 19. Схема циклу трикарбонових кислот (цикл Кребса)
Підраховано, що в цьому циклі з однієї молекули глюкози утворюється 36 молекул АТФ і в процесі гліколізу дві молекули АТФ, всього, отже, 38 молекул АТФ, або 380 великих калорій з 680 великих калорій, що містяться в грам-молекулі глюкози, т. Е. отримано 55% корисної хімічної енергії. Це дуже великий відсоток але порівняно з к.к.д. отриманим в техніці (12-25%). Енергія виділялася поступово по частинах. Якби вона була виділена відразу, то клітина була б пошкоджена.
Ферменти, які беруть участь в реакціях, розташовані в мітохондріях і локалізовані рядами по порядку їх дії в ході гліколізу і циклу трикарбонових кислот.
Продукти розпаду триоз частково йдуть на біосинтез. Так, з піровиноградної кислоти може утворитися аланин, з кетоглутаровой кислоти - глютамінова кислота, з щавелевоуксусной кислоти - аспарагінова кислота шляхом амінування. Оцтова кислота може піти на синтез вищих жирних кислот.
Протікають при диханні реакції мають пов'язаний характер окислення-відновлення. В ході реакцій окислення-відновлення розвивається електрорушійна сила, яка може бути виміряна у вигляді так званого окислювально-відновного потенціалу (rН2).
Аероби пристосовані до більш високого rН2 (20 і вище), анаероби - до низького (0-12), факультативні анаероби - 0-20. Знижуючи rН2 середовища, можна досягти зростання анаеробів в присутності кисню, а підвищуючи rН2. вирощувати аероби в анаеробних умовах.
В енергетичному відношенні анаеробне дихання у багато разів менш ефективно, ніж аеробне. Так, якщо при аеробному процесі окислення глюкози до СО2 і Н2 Про виходить 674 ккал, то при спиртовому бродінні - 27 ккал, при молочнокислом - 18 ккал і при олійно-кислому - всього 15 ккал. Це пояснюється тим, що кінцевими продуктами анаеробного окислення є органічні сполуки, які зберегли ще великий запас енергії. Наприклад, спирт (продукт спиртового бродіння) прекрасно горить.
Втрату тепла при бродінні можна спостерігати в культурах, добре захищених від втрати тепла. За рахунок виділення цього тепла відбувається самонагрівання вологої сіна, гною, торфу та ін.
У світяться бактерій втрата енергії виражається у вигляді світіння. Світіння морської води, гнилого дерева, моху, риби пояснюється присутністю на них особливих бактерій, що світяться аеробів. Вони мають особливий фермент - люцеферазу, який хімічну енергію АТФ переводить в енергію світла.
До анаеробним відносяться палички правця, ботулинуса, олійно-кислі бактерії, збудники газової гангрени та ін.
До аеробів відносяться нитрифицирующие, оцтовокислі, азотобактерии, миксобактерии, цвілі, мікобактерії, холерний вібріон. Факультативні анаероби - кишкова паличка, дифтерійна паличка, стрептокок, стафілокок, спірили і ін.