Получение энергии при окислении химических соединений. Бактерии хемотрофы. Получение энергии субстратным фосфорилированием. Брожение.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

Субстратным фосфорилированием называется процесс бескислородного присоединения к молекуле субстрата остатков фосфорной кислоты с последующим их переносом на АДФ, в результате чего образуется АТФ. Субстратное фосфорилирование составляет сущность гликолиза, кетодезоксифосфоглюконатного и пентозофосфатного путей. Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитоплазме бактериальной клетки.

Гликолиз (путь Эмдена-Мейерхофа-Парнаса). Это наиболее примитивный способ извлечения энергии, поскольку из субстрата в результате его анаэробного преобразования извлекается лишь незначительная доля той химической энергии, которая в нём содержится. При гликолизе донором электронов является углевод, акцептором электронов – какая-нибудь органическая молекула, образующаяся в процессе последующего брожения. Синтез АТФ при гликолизе осуществляется на уровне субстрата. В результате расщепления 1 молекулы глюкозы при гликолизе расходуется 2 и синтезируются 4 молекулы АТФ (схема 3). Общий полезный выход составляет 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД*Н2. Ключевым продуктом гликолиза выступает пировиноградная кислота (пируват), которая в зависимости от метаболических особенностей конкретных микроорганизмов может подвергаться дальнейшим ферментативным преобразованиям – брожению. Конечный продукт брожения является восстановленным соединением, акцептировавшим электроны, выделяется из клеток прокариот в окружающую среду и накапливается в ней в значительных количествах. Преобладающий продукт брожения определяет его вид.

Молочнокислое брожение. Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии родов Streptococcus, Lactobacterium, Bifidobacterium. При этом виде брожения акцептором электронов служит пируват.

Конечный продукт – молочная кислота. Бактерии родов Escherichia, Proteus, Salmonella, Shigella способны вызывать гетероферментативное молочнокислое брожение.

При нём, кроме молочной кислоты, в меньших количествах образуются уксусная, муравьиная, янтарная кислоты, этанол.

Пропионовокислое брожение вызывают бактерии родов Clostridium, Propionobacterium, Corynebacterium, некоторые виды из родов Neisseria, Veillonella. Конечными продуктами брожения являются пропионовая, уксусная, янтарная кислоты.

Маслянокислое брожение характерно для бактерий родов Butyribacterium, Sarcina, Clostridium, Neisseria. При данном виде брожения образуются масляная кислота, бутанол, ацетон, изопропанол, уксусная кислота, этанол.

Бутилен-гликолевое брожение свойственно некоторым видам бактерий родов Aeromonas, Bacillus, Enterobacter. Конечные продукты брожения: ацетон, бутилен-гликоль, молочная кислота, муравьиная кислота. Определение в среде ацетона (ацетилметилкарбинола) в реакции Фогеса-Проскауэра используется при идентификации Enterobacter sp.

Спиртовое брожение способны вызывать бактерии родов Sarcina, Erwinia. У многих клостридий и энтеробактерий также среди продуктов брожения обнаруживается этиловый спирт.

К альтернативным путям катаболизма углеводов относятся пентозофосфатный и кетодезоксифосфоглюконатный пути.

Пентозофосфатный путь возник для обеспечения прокариот пентозами (схема 4). Суммарно весь процесс можно представить в виде следующего уравнения: глюкозо-6-фосфат + 2 НАДФ+ = рибозо-5-фосфат + СО2 + 2 НАДФ*Н2.

Образовавшийся рибозо-5-фосфат используется прокариотами в синтезе нуклеиновых кислот и пентозосодержащих коферментов; моле

кулы НАДФ*Н2 потребляются в восстановительных биосинтетических процессах. Ни на одном из этапов пентозофосфатного пути АТФ не синтезируется. Пентозофосфатный путь присущ большинству микроорганизмов. Он в 2 точках может смыкаться с гликолизом и, следовательно, оба этих пути взаимно дополняют друг друга при необходимости образования таких ключевых веществ, как глюкозо-6-фосфат и 3-фосфорноглицериновый альдегид, которые могут переключить пентозофосфатный путь на гликолитический. Пентозофосфатный путь позволяет прокариотам сбраживать пентозы.

Кетодезоксифосфоглюконатный путь (КДФГ-путь, Энтнера-Дудорова). КДФГ-путь функционирует у довольно широкого круга прокариот, главным образом у грамотрицательных (энтеробактерии, псевдомонады, спириллы и др.) (схема 5). У анаэробов он встречается довольно редко.

Путь имеет важное значение при катаболизме глюконовой, мангнановой, гексуроновых кислот и их производных. Конечными продуктами КДФГ-пути являются пировиноградная кислота и 3-фосфорноглицериновый альдегид. При разложении молекулы глюкозы в КДФГ-пути образуется 1 молекула АТФ и по 1 молекуле НАДФ*Н2 и НАД*Н2.

КДФГ-путь имеет несколько точек сопряжения с гликолизом (глюкозо-6-фосфат, 3-фосфорноглицериновый альдегид, пирофиноградная кислота) и пентозофосфатным путём. КДФГ-путь является наиболее коротким путём получения пировиноградной кислоты. Прокариоты,

расщепляющие глюкозу КДФГ-путём, не имеют ферментов, приводящих к бродильным процессам.

Анаэробное дыхание, или субстратное фосфорилирование, сопровождающееся брожением конечных продуктов гликолиза — в 9-18 раз менее выгодный способ получения энергии по сравнению с окислительным фосфорилированием.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Способы получения энергии хемотрофами

Большинство существующих в природе микроорганизмов относятся к хемоорганогетеротрофам. Этим микроорганизмам принадлежит ведущая роль в круговороте веществ в природе, многие их них используются в важнейших биохимических процессах пищевых про­изводствах или лежащих в основе микробиологической порчи сырья, полуфабрикатов и го­товой продукции пищевых производств.

В качестве источников энергии они могут использовать широкий круг органических веществ. В основном это углеводы, а также спирты (одноатомный — этиловый спирт, трехатомный — глицерин; шестиатомные спирты — сорбит, маннит и др.), аминокислоты, пурины, пиримидины, жиры, органические кислоты и др.

Большинство хемоорганогетеротрофов получают энергию и синтезируют углеродный скелет клеток из одного и того же органического соединения.

Необходимую энергию хемоорганогетеротрофы могут получать одним из следующих способов: аэробного дыхания, неполного окисления, брожения и анаэробного дыхания. В основе указанных способов получения энергии лежат про­цессы биологического окисления органических веществ.

Различаются эти способы конечными акцепторами водорода (электронов). От степе­ни окисления органических веществ зависит количество энергии, полу­чаемое клеткой и аккумулированной в высокоэнергетических связях молекул АТФ.

Различаются эти процессы и количеством высвобождающейся свободной энергии (тепловой или какой-либо другой).

В аэробных условиях при наличии молекулярного кислорода энергия может быть получена в результате аэробного дыхания (полного окисления), так и неполного окисления.

Аэробное дыхание. Донорами водорода (электронов) при дыха­нии служат органические вещества, конечным акцептором водорода является молекулярный кислород. В результате дыхания происходит полное окисление органических веществ кислородом воздуха до углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии:

Такое количество энергии соответствует всему запасу свободной энергии, заключенному в I грамм-молекуле глюкозы. Этим способом по­лучают энергию многие аэробные бактерии, хлебопекарные и кормовые дрожжи.

При аэробном дыхании примерно 50% энергии теряется в виде тепла. Этим объясняется явление термогенеза — самосогревания боль­ших рыхлых, хорошо аэрируемых скоплений влажных растительных масс (сена, зерна, силоса, навоза, торфа и др.).

Неполное окисление. В аэробных усло­виях окисление органических веществ может осуществляться не до углекислого газа и воды, a до образования промежуточных недоокисленных продуктов и воды.

При этом, так же, как и при аэробном дыхании, донорами водорода служат органические вещества, а акцептором — молекулярный кислород воздуха. Энергии в этом процессе освобождается значитель­но меньше.

Примером такого процесса может служить окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями до уксусной кисло­ты:

В молекуле спирта заключено гораздо больше энергии — 1369 кДж, но так как окисление в данном случае было неполным, то и энер­гии выделилось меньше, а остальная свободная энергия, заключенная в молекуле спирта, осталась в продукте неполного окисления — уксусной кислоте. Неполное окисление углеводов свойственно многим мицелиальным грибам. Грибы окисляют их с образованием лимонной, глюконовой, щавелевой и других органических кислот.

В анаэробных условиях в отсутствии молекулярного кислорода энергия может быть получена в результате либо брожения (неполного окисления в анаэробных условиях), либо анаэробного дыхания (полного окисления связанным кислородом).

Брожение. Процесс брожения — это неполное окисление органиче­ских веществ в анаэробных условиях.

Донором водорода при броже­нии является одно органическое вещество, а акцептором – другое органическое вещество, ко­торое при этом восстанавливается.

При брожении энергии выделяется значительно меньше, чем при окислении 1 грамм-молекулы глюкозы в аэробных условиях. Например, при спиртовом брожении дрожжей — всего 118 кДж:

Глюкоза Этиловый спирт

Брожение характерно для молочнокислых, маслянокислых, пропионовокислых бактерий, спиртовых и пивных дрожжей.

Все виды брожения (молочнокислое, маслянокислое и т.д.) протекают также с неполным выделением энергии глюкозы, так как часть свободной энергии переходит в образующиеся восстановленные продукты брожения, которые накапливаются в среде.

Анаэробное дыхание. Анаэробное дыхание – это окисление органических веществ в анаэробных условиях с использованием связанного кислорода, находящегося в молекуле неорганического вещества, богатого кислородом. Это вещество является акцептором водорода. В роли акцепторов могут быть использованы, например, сульфаты или нитраты.

Окисление органических соединений кислородом нитратов называется нитратным дыханием:

Окисление органических веществ кислородом сульфатов назы­вается сульфатным дыханием:

Процессы анаэробного дыхания сопровождаются значительным выделением энергии. Анаэробное дыхание характерно для денитрифицирующи, десульфитирующих и некоторых других бактерий.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Хемотрофы

Хемотрофы — организмы, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, окисляя химические соединения, богатые энергией — хемосинтеза (как неорганические — например молекулярный водород, серу, так и органические — углеводы, жиры, белки, парафины и более простые органические соединения), в отличие от фототрофов, получающих энергию в результате фотосинтеза.

Хемосинтезирующие бактерии (хемолитоавтотрофы) — бактерии, использующие диоксид углерода в качестве единственного источника углерода, энергию получают в результате окислительно-восстановительных реакций, донором электронов являются неорганические соединения. К хемолитоавтотрофам относят представителей родов Nitrosospina, Nitrosococcus, Thiobacillus и другие.

Выделяют также хемоорганогетеротрофов, использующих органические соединения и как источники углерода, и как доноры электронов (восстановители).

К хемоорганогетеротрофам относятся представители родов Азотобактер ( Azotobacter ), Сальмонелла ( Salmonella ), Иерсиния ( Yersinia ), а также некоторые другие сапротрофные и паразитические микроорганизмы.

Хемоорганогетеротрофный тип метаболизма характерен также для царств животных и грибов.

Для улучшения этой статьи желательно ? :

• Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение).
• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
• Добавить иллюстрации.
• Викифицировать статью.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Хемотрофы» в других словарях:

хемотрофы — организмы, получающие энергию за счет окисления хим. соединений (органических и неорганических). Ср. фототрофы. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) Хемотрофы группа микроорганизмов, к рые для целей… … Словарь микробиологии

Хемотрофы — [от хемо. и троф(ы)], организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических за счет окисления сероводорода, аммиака и других веществ, имеющихся в среде. См. также Хемосинтез. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная… … Экологический словарь

ХЕМОТРОФЫ — см. Автотрофы … Большой Энциклопедический словарь

хемотрофы — – организмы, использующие для биосинтеза энергию, выделяющуюся при окислении различных соединений … Краткий словарь биохимических терминов

хемотрофы — см. Автотрофы. * * * ХЕМОТРОФЫ ХЕМОТРОФЫ, см. Автотрофы (см. АВТОТРОФЫ) … Энциклопедический словарь

ХЕМОТРОФЫ — см. Автотрофы … Естествознание. Энциклопедический словарь

хемотрофы — хемотр офы, ов, ед. ч. тр оф, а … Русский орфографический словарь

Автотрофы — (др. греч. αὐτός сам + τροφή пища) организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических. Автотрофы составляют первый ярус в пищевой пирамиде (первые звенья пищевых цепей). Именно они являются первичными… … Википедия

Классификация организмов по способу питания и получения энергии — Содержание 1 Автотрофы 1.1 Фототрофы 1.2 … Википедия

Классификация организмов по способу получения энергии — Содержание 1 Автотрофы 1.1 Фототрофы 1.2 Хемотрофы 2 Гетеротрофы … Википедия

Источник

Хемотрофы

• Хемотро́фы — организмы, получающие энергию в результате хемосинтеза — окислительно-восстановительных реакций, в которых они окисляют химические соединения, богатые энергией (как неорганические — например, молекулярный водород, серу, так и органические — углеводы, жиры, белки, парафины и более простые органические соединения), в отличие от фототрофов, получающих энергию в результате фотосинтеза. Исключением служат «не-редокс» механизмы, когда протонный электрохимический градиент (PMF, proton motive force) или натриевый электрохимический градиент (SMF, sodium motive force) создаются в результате реакций декарбоксилирования.

Хемосинтезирующие бактерии (хемолитоавтотрофы) — бактерии, использующие диоксид углерода в качестве единственного источника углерода. Получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, донором электронов являются неорганические соединения. К хемолитоавтотрофам относят представителей родов Nitrosospina, Nitrosococcus, Thiobacillus и других.

Выделяют также хемоорганогетеротрофы, использующие органические соединения и как источники углерода, и как доноры электронов (восстановители).

К хемоорганогетеротрофам относятся представители родов Азотобактер (Azotobacter), Сальмонелла (Salmonella), Иерсиния (Yersinia), а также некоторые другие редуценты и паразитические микроорганизмы.

Хемоорганогетеротрофный тип метаболизма характерен также для царств животных и грибов.

Связанные понятия

Факультативные анаэробы — организмы, энергетические циклы которых проходят по анаэробному пути, но способные существовать при доступе кислорода, в отличие от облигатных анаэробов, для которых кислород губителен.

Источник

Преобладающую часть бактерий составляют бактерии хемотрофы, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций расщепления химических веществ, которые в ряде случаев служат для них также источником питания. Разные бактерии получают энергию либо в процессе брожения либо в процессе дыхания.

При брожении АТФ образуется исключительни путём субстратного фосфорилирования, а в процессе дыхания преимущественно путём окислительного фосфорилирования за исключением начальных этапов превращения гексоз в триозы (гликолиз, см. ниже). Получение энергии субстратным фосфорилированием

Субстратное фосфорилирование может происходить при различных реакциях промежуточного метаболизма.

При дегидрировании некоторых определённых субстратов часть энергии, освободившейся при окислении, сохраняется в форме высокоэнергетического фосфата.

Богатая энергией фосфатная группа затем переносится на АДФ с образованием АТФ. Такой процесс называют фосфорилированием на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование).

Рис. 4-7. Пути восстановления пирувата в процессе брожения.

В обмене углеводов важнейшие реакции, приводящие к регенерации АТФ, катализируют фосфоглицераткиназа (1,3-бифосфоглицерат + АДФ — 3-фосфоглицерат + АТФ), пируваткиназа (фосфоэнолпируват + АДФ = пируват + АТФ) и ацетаткиназа (ацетилфосфат или бутирилфосфат + АДФ = ацетат или бутират + АТФ). Бактерии и дрожжи, сбраживающие сахара, располагают лишь тем АТФ, который получается с помощью этих ферментов.

Брожение. При брожении происходит анаэробное разложение углеводов и образование АТФ посредством субстратного фосфорилирования. Брожение характерно для факультативных и облигатных анаэробов.

При брожении продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами и акцепторами водорода. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на НАД.

Акцепторами водорода в составе НАДН+ служат промежуточные продукты расщепления субстрата. Кислород подавляет брожение, и оно у факультативных анаэробов сменяется дыханием.

По выходу энергии брожение уступает дыхательному метаболизму: при сбраживании микроорганизмами 1 моля глюкозы образуется от 1 до 4 молей АТФ. Для сравнения; у дрожжей на 1 моль сброженной глюкозы образуется 2 моля АТФ, а при дыхании — 38.

При ферментации субстратов в среде накапливаются конечные продукты (лактат, бутират, ацетон, 2-пропанол, этанол, ацетоин и др.). Определение природы этих продуктов— важный момент для идентификация анаэробов.

Например, образование ацетоина определяют в реакции Фогеса-Проскауэра, кислотообразование — в тесте с метиловым красным, индолообразование — по методу Грациана. Применяют и другие тесты, разработанные для идентификации бактерий.

Любое брожение проходит две стадии: первая (окисление) включает превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, вторая (восстановление) — присоединение атомов водорода для восстановления пировиноградной кислоты (рис. 4-7).

Сам процесс образования пировиноградной кислоты включает серию реакций, общих для брожения и аэробного дыхания.

У микроорганизмов выделяют три пути образования триоз (пировиноградной кислоты и глицеральдегидфосфата) из углеводов: гликолитичес-кий (фруктозо-1,6-бифосфатный), пентозофосфатный и 2-кето-З-дезокси-б-фосфоглюконатный (КДФГ-путь, путь Энтнера-Дудорова-Парнаса). Согласно образующимся продуктам, брожение разделяют на следующие типы.

Источник

Что такое хемотрофы? Определение, типы и примеры

Хемотрофы – организмы, которые получают энергию главным образом из углекислого газа и других неорганических химических веществ через процесс, называемый хемосинтезом. Хемосинтез осуществляется хемотрофами путем окисления доноров электронов из окружающей среды. Хемотрофы могут быть как автотрофными (хемоавтотрофы), так и гетеротрофными (хемогетеротрофы).

Хемоавтотрофы – микроорганизмы, синтезирующие органические вещества из неорганических с помощью хемосинтеза. Хемосинтез – это процесс, посредством которого некоторые бактерии и археи, преобразовывают химическую энергию в питательные вещества.

Они способны использовать в качестве восстановителей неорганические соединения, такие как сероводород, сера, аммоний и железо, а также синтезировать органические соединения из углекислого газа. Хемоавтотрофы встречаются в экстремальной среде обитания, например в глубоководных источниках, куда не проникает солнечный свет.

К ним относятся метаногены, галофилы, нитрификаторы, термоацидофилы, сероокисляющие бактерии и другие экстремофилы.

Хемогетеротрофы являются гетеротрофами (организмы, которые не могут синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза). Хемогетеротрофы подразделяются на хемолитогетеротрофов и хемоорганогетеротрофов:

• Хемолитогетеротрофы – это микроорганизмы, которые для получения энергии используют процессы окисления неорганических соединений. Они способны использовать восстановленные неорганические соединения в качестве дополнительного источника энергии, но не могут фиксировать углерод, поэтому нуждаются в органическом источнике углерода. К хемолитогетеротрофам относятся сульфатвосстанавливающие бактерии и метанобразующие археи.
• Хемоорганогетеротрофы – это организмы, которые получают энергию и углерод из органических соединений, таких как углеводы, липиды и белки. К хемоорганогетеротрофам относятся большинство микроорганизмов-деструкторов и все животные.

Источник

Энергетический обмен микроорганизмов

Для осуществления жизненных функций клетки — роста и размножения кроме питательных веществ необходим приток энергии. Потребность микроорганизмов в энергии удовлетворяется за счет энергетического обмена, суть которого заключается в биологическом окислении различных веществ с выделением энергии и синтезе молекул с макроэргическими связями, в которых клетка запасает выделенную при окислении энергию. Энергетические процессы микроорганизмов по своему объему значительно превосходят биосинтетические процессы, и осуществление их приводит к существенным изменениям во внешней среде.

Общие положения об энергетических процессах в клетке

Живая клетка способна использовать в процессах жизнедеятельности только химическую энергию. Тепло не может быть использовано живыми организмами как энергия. Чтобы оно использовалось как энергия, необходим значительный перепад температур (как это имеет место в тепловых машинах).

В живых клетках такой перепад температур (примерно 100°С) невозможен.

 Источником энергии для живой клетки может быть световая энергия, которая превращается клеткой в химическую и накапливается в молекулах восстановленных углеводных соединений (фотосинтез).

 Другим источником энергии являются химические реакции окисления — восстановления, при которых химическая энергия восстановленных углеродистых и некоторых неорганических соединений превращается в биологически доступную энергию макроэргических связей.

Известно, что любое вещество, которое способно окисляться, может служить источником химической энергии для микроорганизмов. В природе существует огромное количество неорганических и органических соединений, способных окисляться. Биологическое окисление в клетке происходит двумя путями:

• 1) отрывом водорода от окисленного вещества и переносом его на другое, которое при этом восстанавливается;
• 2) отрывом электрона (е-) от окисленного вещества и переносом его на другое, которое при этом восстанавливается.

Соединения, способные окисляться, то есть источники оторванных электронов или водорода, называют донорами. Молекулы, способные принять оторванные при окислении электроны или водород, называют акцепторами.

Следует отметить, что электроны не могут существовать самостоятельно. Они должны быть переданы в соответствующие молекулы от донора к акцептору.

Поэтому все окислительно-восстановительные превращения является, по сути, перемещением электронов.

Энергия, освобождающаяся при окислении субстрата, становится доступной для клетки только тогда, когда она заложена в особые временные хранилища — особые молекулы. У микроорганизмов есть несколько типов соединений, сохраняющих энергию. Это АТФ и другие фосфатные соединения, а также ряд карбоновых кислот.

В процессах переноса химической энергии в клетке главная роль принадлежит системе АТФ — АДФ. Свободная энергия под воздействием ряда ферментов переносится из молекулы АДФ, которая превращается в АТФ.

Энергия  накапливается в форме химической энергии макроэргических фосфатных связей. Когда клетка использует энергию, то от АТФ отщепляется конечная фосфатная группа, и она снова превращается в АДФ.

Фосфатная группа переносится на конкретные акцепторные молекулы и они получают освободившуюся при этом энергию, за счет которой могут проводить в клетке определённую работу.

При отщеплении фосфатной группы от молекулы АТФ высвобождается 7,3 ккал. Молекулу АТФ часто называют «энергетической валютой» клетки.

Важная роль молекулы АТФ в энергетическом метаболизме клетки обусловлена следующими её свойствами:

• химической стойкостью, которая обеспечивает сохранение сэкономленной энергии и препятствует потере ее в виде тепла;
• малыми размерами молекул АТФ, что позволяет им легко попадать в разные участки клетки, которым необходима энергия для реакций биосинтеза;
• энергетический уровень макроэргической связи, позволяет молекуле АТФ занять промежуточное положение между так называемыми высокоэнергетическими и низкоэнергетичными веществами и легко переносить между ними энергию.

Энергетический обмен связан с биосинтезом, для которого он является поставщиком энергии. Но возможны условия, при которых клетка производит энергии больше, чем ее расходует. В молекулах АТФ энергия сохраняется недолго (приблизительно 1/3 секунды).

Здесь она находится в мобильной форме и предназначена обеспечить энергозависимые процессы, происходящие в тот период.

На более длительное время клетка накапливает энергию в неактивных запасных веществах типа волютина, липидов или отдаёт её излишки в окружающую среду.

Типы энергетического обмена. У микроорганизмов наблюдается большое разнообразие энергетического обмена. Типы энергетического обмена микроорганизмов определяются:

• источником энергии для процесса окисления, то есть донором электрона (видом вещества, использованного для окисления);
• видом акцептора водорода или электрона, иначе говоря видом конечного вещества, который принимает электроны, освободившиеся при окислении.

Особенности энергетического обмена влияют на расселение микробов в природе и на те изменения, которые наблюдаются во внешней среде в результате их жизнедеятельности. Микроорганизмы по источнику энергии для окислительно-восстановительных реакций внутри клетки разделяют на два типа:

• фототрофы или фотосинтезирующие микробы, которые используют энергию солнца;
• хемотрофы, источником энергии которых являются химические реакции в клетке.

Фототрофы и хемотрофы при окислительно-восстановительных реакциях могут использовать в виде окисляющегося вещества (донора электронов) как неорганические, так и органические соединения.

По донором водорода (электрона) микроорганизмы делятся на следующие типы:

• микробы, которые используют в качестве донора водорода неорганические вещества. их называют литотрофы (соответственно — фотолитотрофы и хемолитотрофы);
• микробы, которые используют в качестве донора водорода органические вещества, их называют органотрофы (соответственно — фотоорганотрофы и хемоорганотрофы).

У хемотрофов различные акцепторы водорода (электронов), то есть конечное вещество, принимают на себя водород (или электрон). В зависимости от происхождения конечного акцептора водорода хемотрофы разделяют на два типа:

• аэробные, у которых конечным акцептором электронов (водорода) является молекулярный кислород;
• анаэробы, у которых конечным акцептором электронов (водорода) являются органические или неорганические вещества. Кислород для них ядовит.

Следует отметить, что между аэробами и анаэробами нет резкой границы. Существуют промежуточные формы, которые могут существовать как при наличии молекулярного кислорода, так и при его отсутствии. Такие микроорганизмы называют факультативными аэробами или факультативными анаэробами. К факультативным анаэробам принадлежат дрожжи и молочнокислые бактерии.

При аэробном дыхании питательные вещества окисляются кислородом воздуха до конечных продуктов распада, то есть до углекислого газа и воды. При этом высвобождается значительное количество энергии. Например, окисление глюкозы в процессе аэробного дыхания проходит так:

С6Н12Об + 602 = 6С02 + 6Н20 + 674 ккал.

674 ккал тепла — это запас потенциальной энергии глюкозы, то есть количество энергии, которая была аккумулирована в молекуле сахара при его фотосинтезе из углекислого газа и воды в зеленых растениях. Энергия, образующаяся при этом, используется микроорганизмами при усвоении питательных веществ для движения и размножения.

К аэробным микроорганизмам, то есть к микроорганизмам, у которых дыхание проходит аэробным путем, относятся все плесневые грибы, а также много бактерий. В большинстве случаев для дыхания они используют углеводы, но могут использовать другие органические соединения — белки, жиры, спирты и др. При этом они окисляются преимущественно полностью до конечных продуктов — углекислого газа и воды.

Иногда при аэробном дыхании происходит только частичное окисление с образованием других органических соединений. В таком случае высвобождается меньше энергии, потому, что часть потенциальной энергии остается в продуктах неполного окисления. Так, например, уксуснокислые бактерии в процессе дыхания используют этиловый спирт, окисляя его до уксусной кислоты:

• С2Н5ОН + 02 = СНзСООН + Н20 + 116 ккал.
• При полном окислении спирта до конечных продуктов выделяется значительно больше энергии:
• С2Н5ОН + 302 = 2С02 + ЗН20 + 326 ккал.

При анаэробном дыхании микроорганизмы получают энергию не путем окисления, а путем распада сложных органических веществ до более простых. Анаэробное дыхание принято называть брожением. Микроорганизмы, у которых имеет место анаэробное дыхание, называют анаэробами.

К ним относятся дрожжи и много бактерий. Анаэробные микроорганизмы делятся на строгие (облигатные, безусловные), которым кислород воздуха не только не нужен, но и вреден, и факультативные (условные), которые могут жить как без кислорода, так и в его присутствии.

 Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

• спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях)

С6Н1206 = 2С2Н5ОН + 2С02 + 27 ккал;

• молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий)

С6Н1206 = 2С3Нб03 (молочная кислота) + 18 ккал;

• маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий)

С6Н1206 = С3Н7СООН (масляная кислота) + 2С02 + 2Н2 + 15 ккал.

Как видно из приведённых уравнений, при анаэробном дыхании образуется значительно меньше энергии, чем при аэробном. Поэтому при аэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в необходимом количестве энергии, микроорганизмам надо потреблять больше сахара, чем при аэробном.

На процессы жизнедеятельности микроорганизмов расходуется не вся энергия, высвобождаемая при дыхании. На эти процессы используется около 1/4 части освобожденной энергии. Большая часть энергии расходуется в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы.

АИменно так нагревается вино, в котором проходит спиртовое брожение. В результате бурного развития микроорганизмов нагревается влажное зерно, хлопок, торф, сено, навоз. Тепло, выделяемое при самонагревании навоза, используют для утепления теплиц. Некоторые микроорганизмы выделяют неиспользованную ими энергию в виде света. Это можно доказать на примере свечения гнилого дерева.

Способы получения энергии бактериями. Мембранное и субстратное фосфорилирование

Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ-универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности.

При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление — отдача донорами (молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление — присоединение водорода или электронов к акцептору.

Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород (такое дыхание называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание называется анаэробным — нитратным, сульфатным, фумаратным).- мембранное фосфорилирование

Анаэробиоз (от греч. aer — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением.

При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных условиях. С учетом конечного продукта расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.

По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы: облигатные, т.е. обязательные, аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы.

Субстратное фосфорилирование

Реакции, в которых энергия, освобождающаяся на определенных окислительных этапах брожения запасается в молекулах АТФ , получили название субстратного фосфорилирования . Их особенностью является катализирование растворимыми ферментами.

Образующийся в восстановительной части окислительно-восстановительных преобразований сбраживаемого субстрата восстановитель ( НАД*Н2 , восстановленный ферредоксин ) переносит электроны на подходящий эндогенный акцептор электрона ( пируват , ацетальдегид , ацетон и др.

) или освобождается в виде газообразного водорода (Н2).

Согласно распространенным представлениям, наиболее древние формы жизни, источником энергии для которых служили реакции субстратного фосфорилирования, использовали органические соединения внешней среды одновременно по двум каналам: в качестве источника энергии и источника углерода. Постепенное исчерпание таких соединений из окружающей среды поставило организмы перед двумя проблемами: поиском новых источников энергии и новых источников углерода. В первом случае это привело к использованию энергии света, во втором — к использованию углекислоты.

Стерилизация. Методы стерилизации, используемые в медицине и микробиологии.

Почти все факторы физического воздействия на микроорганизмы могут быть использованы с целью стерилизации.

Стерилизация – уничтожение патогенных и непатогенных микроорганизмов, их вегетативных и споровых форм в каком-либо объекте.

Стерилизации подвергают питательные среды, стеклянную посуду, инструменты, перевязочный материал, халаты.Стерилизации также подвергают воздух и предметы в микробиологических боксах.

• Механизм действия различных методов стерилизации не одинаков, но в основе каждого лежит способность нарушать жизненные процессы микробной клетки (денатурация белков, угнетение функции ферментных систем).
• Автоклавирование
• Стерилизация медицинских изделий в автоклаве — автоклавирование.
• Действующий фактор — насыщенный водяной пар под давлением. Избыточное давление позволяет поднять температуру кипения воды и, соответственно, температуру пара:
• P = 0 АТИ → tпара = 100 0С
• P = 0,5 АТИ → tпара = 110 0С
• P = 1,0 АТИ → tпара = 121 0С
• P = 1,5 АТИ → tпара = 126 0С
• P = 2,0 АТИ → tпара = 132 0С

Для стерилизации воздух в автоклаве должен быть полностью замещен насыщенным паром. Это достигается либо продувкой автоклава паром(гравитационные автоклавы), либо повторяющимися циклами откачки-заполнения (форвакуумные автоклавы).

Использование:

◦ гравитационные автоклавы — лабораторная посуда, инструменты без внутренних полостей, лекарства …

◦ форвакуумные автоклавы — перевязочные материалы, операционное белье и другие пористые объекты. а также инструменты. имеющие внутренние полости

1. Достоинства
2. • Высокая эффективность
3. • Широкий перечень стерилизуемых объектов
4. • Минимальное повреждение стерилизуемых объектов
5. • Возможность стерилизации упакованных изделий
6. Недостатки
7. ◦ Аппаратура работает под повышенным давлением
8. ◦ Возможна коррозия металлических объектов
9. Воздушная стерилизация

В воздушных стерилизаторах осуществляют стерилизацию сухим нагретым воздухом. Поскольку стерилизующий эффект сухого воздуха значительно слабее, чем у насыщенного пара. испольхуются волее высокие температуры (160 — 180 0С) и длительные экспозиции (60 — 120 мин). Для равномерного прогрева воздушные стерилизаторы имеют встроенный вентилятор.

• Использование:
• Стерилизация стеклянной посуды, термостабильных порошков, металлических инструментов.
• Достоинства
• ◦ Простота управления
• ◦ Низкие эксплуатационные расходы
• ◦ Возможность упаковки стерилизуемых объектов
• Недостатки
• ◦ Ограниченный перечень стерилизуемых объектов
• ◦ Большая продолжительность цикла стерилизации
• Прокаливание в пламени

Газовые горелки и спиртовки используют для стерилизации открытым пламенем. В случаях, когда невозможно применить открытое пламя, возможно использование инфракрасных нагревателей.

Использование:

Стерилизация мелких металлических инструментов: бактериологические петли, препаравальные иглы, пинцет…

1. Достоинства
2. ◦ Практически мгновенная стерилизация
3. Недостатки
4. ◦ Нельзя хранить простерилизованный инстумент
5. ◦ Только для мелких инструментов
6. ◦ Пожароопастность
7. Газовая стерилизация

Низкотемпературный метод стерилизации, с использованием окиси этилена. Данный газ обладает хорошими микробоцидными свойствами и проникающей способностью.

• Достоинства
• ◦ Возможность стерилизации объектов, не выдерживающих высокие температуры
• ◦ Надежная упаковка стерилизуемых изделий
• ◦ Высокая надежность стерилизации
• Недостатки
• ◦ Очень высокая токсичность газа
• ◦ Необходимость длительного проветривания простерилизованных объектов
• Плазменная стерилизация

Стерилизация проводится парами 60% раствора Н2О2 и низкотемпературной плазмы. Это делает данный метод универсальным, поскольку позволяет обрабатывать любые изделия, в том числе и волоконную оптику. Перед стерилизацией изделия должны быть упакованы в специальную упаковку.

1. Достоинства
2. ◦ Универсальность
3. ◦ Низкая температура стерилизации
4. ◦ Высокая эффективность стерилизации
5. ◦ Экологически безопасный метод (конечные продукты — Н2О и О2)
6. Недостатки
7. ◦ Высокая стоимость оборудования
8. Необходимость специальной упаковки (обычные упаковочные материлы не годятся)