1. Брожение как энергетический процесс, общая характеристика, типы брожения. Брожение – анаэробные окислительно-восстановительные процессы, проходящие без участия внешних (неорганических) акцепторов электронов. Субстраты брожения – органические вещества, имеющие атом углерода с промежуточной степенью окисления (выступают донором и акцептором электронов) Продуктами выступают органические вещества (кислоты, спирты, ацетон) СО2 Н Образование АТФ идет за счет субстратного фосфорелирования Энергетически процесс малопродуктивный (0,3-3,5 АТФ) · Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и бактериями вида Сарцина, вентрицилюс, эрвиния амиловора, зимоммонас мобилис), в ходе него пируват расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы питьевого спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии ивинокурении. Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя диоксид углерода обычно уходит в атмосферу, хотя в последнее время его стараются утилизировать. Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии ( лактобацилюс, лактококус, стрептококус, педиококус) и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус. Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемаядыханием, и кровь не успевает доставлять кислород. Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжелых физических упражнений соотносятся с получением молочной кислоты и сдвигом к анаэробному гликолизу, поскольку кислород преобразуется в диоксид углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; а болезненность в мышцах после физических упражнений вызвана микротравмамимышечных волокон. Организм переходит к этому менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в условиях недостатка кислорода. Затем печень избавляется от излишнего лактата, преобразуя его обратно в важное промежуточное звено гликолиза — пируват. Считается, что анаэробный гликолиз был первым источником энергии для общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации энергии в клетках — более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток. Пропионовоки́слое броже́ние — вид брожения, при котором субстрат (как правило, моно- и дисахариды) сбраживается до пропионовой кислоты (пропионата) и уксусной кислоты (ацетата). Пропионовокислое брожение осуществляют преимущественно бактерии подпорядка Propionibacterineae[en] класса Actinobacteria, обитающие в рубце и кишечнике жвачных животных. Суммарное уравнение реакции пропионовокислого брожения: 1,5 глюкоза → 2 пропионат + ацетат + CO2 Пропионовокислое брожение осуществляют в основном бактерии подпорядка Propionibacterineae класса Actinobacteria, обитающие в рубце и кишечнике жвачных животных. Пропионовокислые бактерии относятся к коринеформным бактериям[en] и могут осуществлять характерное снеппинг-деление, в результате чего образуются группы клеток в форме вилочек и палисадов. Это грамположительные неподвижные неспорообразующие палочки и могут существовать в микроаэрофильных условиях. У пропионовокислых бактерий есть короткая электрон-транспортная цепь и гемсодержащие ферменты (цитохромы и каталаза). Помимо брожения, они способны к анаэробному фумаратному дыханию и фиксации CO2 в гетеротрофных условиях с помощью пируваткарбоксилазы и фосфоенолпируваткарбоксилазы Ацетоно-бутиловое брожение - химический процесс разложения углеводов ацетонобутиловыми бактериями и проходящий анаэробно (без доступа кислорода) с образованием ацетона, бутилового спирта, а также уксусной, масляной кислот и газов брожения - водорода и углекислоты. Разработан химиком Хаимом Вейцманом перед Первой Мировой войной и был основным способом получения ацетона для взрывчатки. Процесс брожения вызывается бактериями Clostridium acetobutylicum и родственными микроорганизмами Разложение пектиновых веществ в процессе минерализации растительных тканей приводит к быстрому распаду растительных остатков в почве. Основные возбудители пектинового брожения — Clostridium pectinovorum, Clostridium felsineum Разрушение отмерших растений происходит при активном участии микроорганизмов, вызывающих брожение пектиновых межклеточных веществ, связывающих растительные клетки. При нагревании пектиновые вещества приобретают студневидную консистенцию (пектис — студень). Возбудители этого брожения — Cl. pectinovorum — спорообразующие подвижные крупные палочки. Большое практическое значение пектиновокислое брожение имеет при мочке волокнистых растений (льна, конопли). 2.Молочнокислое и спиртовое брожение, значение и микроорганизмы. При молочнокислом брожении, вызываемом специфичной группой бактерий, происходит распад глюкозы до молочной кислоты. Среди побочных продуктов молочнокислого брожения отмечены ацетат, диоксид углерода, иногда и этанол. Известны три типа брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями: • гомоферментативное молочнокислое брожение, при котором из глюкозы образуется только молочная кислота: • гетероферм ентативное молочнокислое брожение, когда из глюкозы кроме молочной кислоты получаются этанол и диоксид углерода: В основе гомоферментного молочнокислого брожения лежат реакции гликолиза (пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса). Образующийся в результате пируват, однако, не подвергается декарбок- силированию до ацетальдегида, как при спиртовом брожении, а восстанавливается до лактата водородом, отщепляющимся при дегидрировании глицсральдегид3-фосфата: Образование D(—)-, L(+)- или DL-форм молочной кислоты определяется наличием у молочнокислых бактерий стереоспеци- фичных D-, L- или DL-лактатдсгидрогеназ. Незначительная часть пирувата подвергается декарбоксилированию, что приводит к образованию ацетата, этанола и С0 2, а также ацетоина. У гетероферментативных молочнокислых бактерий отсутствуют главные ферменты гликолиза — фруктозобисфосфатальдолаза и триозофосфатизомераза. Поэтому начальное превращение глюкозы идет у данных бактерий исключительно по пентозофосфатному пути до образования рибулозо-5-фосфата. Последний под действием фермента эпимсразы превращается в ксилулозо-5-фосфат, а затем в результате реакции, катализируемой пентозофосфаткетолазой, расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат и ацетилфосфат. В дальнейшем гл и церальдегид-3фосфат превращается в пиру ват, а затем в лактат, как и при гомоферментативном молочнокислом брожении, а из ацетилфосфата образуются ацетат и этанол. Молочнокислые бактерии обладают высокой бродильной способностью и отличаются отсутствием большинства биосинтетических путей. Это обусловливает высокую требовательность рассматриваемых бактерий к источникам питания, которая удовлетворяется лишь на таких средах, как ткани растений, молоко, содержимое желудочно-кишечного тракта животных. Источником энергии для этих бактерий служат главным образом моно- и дисахариды (полисахариды сбраживают только отдельные виды). Некоторые молочнокислые бактерии способны ассимилировать органические кислоты, например лимонную. Молочнокислые бактерии требовательны к источникам азотного питания — они используют органические формы азота. Бифидобактерии — обитатели кишечника человека, животных, насекомых и т. п. Установлено, что представители рода Bifidobacterium составляют от 50 до 90% микробного содержимого фекалий человека. Способность молочнокислых бактерий синтезировать органические антибиотики (низин, диплококцин, лактолин, бревин и др.) и продуцировать органические кислоты позволяет предположить, что эти организмы — антагонисты гнилостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека и животных. Молочнокислые бактерии имеют огромное практическое значение. Их широко используют при изготовлении кисломолочных, квашеных продуктов, сыров, кислосливочного масла и т. п. Молочнокислые бактерии, встречающиеся обычно в молоке, вызывают его сквашивание. В различных климатических зонах земного шара в молоке обитают неодинаковые виды молочнокислых бактерий. Молоко в северной зоне обычно содержит Streptococcus lactis, в южной — палочковидные бактерии L. bulgaricus и др. В связи с этим кислое молоко разных зон неодинаково по вкусовым качествам. В каждой стране существуют свои национальные кисломолочные продукты. В производственных условиях кисломолочные продукты готовят, заражая пастеризованное молоко соответствующими чистыми культурами бактерий. В этих целях используют молочнокислый стрептококк (S. lactis), болгарскую палочку (L. bulgaricus), ацидофильную палочку (L. acidophilus) и др. Ряд молочнокислых продуктов готовят, используя закваску, содержащую симбиотические комплексы микроорганизмов. Например, для приготовления кефира в молоко вносят так называемые кефирные зерна, внешне напоминающие миниатюрные головки цветной капусты. Они содержат Lactobacillus bulgaricus. Streptococcus lactis, дрожжи Saccharomyces kefiri, сбраживающие лактозу. Продуктами брожения служат молочная кислота и спирт. Деятельность молочнокислых бактерий лежит в основе изготовления сыров. Процесс сыроделия представляет собой коагуляцию казеина молока под влиянием сычужного фермента, выделяемого из желудка жвачных животных. Получившиеся сгустки отделяют от сыворотки, прессуют, выдерживают в растворе соли, а затем оставляют лежать до созревания. Во время созревания в сырной массе идут сложные процессы, при которых значительная часть казеина под действием ферментов молочнокислых бактерий переходит в аминокислоты. Для изготовления некоторых сыров используют также пропионовокиспые бактерии, плесневые грибы и т. д. Для улучшения качества сыров нередко применяют закваски молочнокислых бактерий. Лактобациллы — Lactobacillus plantarum и L. coryneformis — используют в хлебопечении, лактобациллы и стрептококки — при изготовлении сырокопченых колбас. Молочнокислые бактерии вызывают брожение, продуктом которого служит лактат, они снижают pH среды, тем самым предохраняя от порчи колбасы, которые по технологии не подвергаются варке (салями, сервелат и др.). Квашение овощей и силосование кормов сводятся главным образом к молочнокислому брожению субстратов Исторически первым было изучено спиртовое брожение у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи, как и большинство грибов, осуществляют аэробное дыхание, однако в отсутствии кислорода они способны сбраживать углеводы до этанола и углекислоты в соответствие с реакцией: С6Н1206 -» 2С02 + 2С2Н5ОН (рис. 7.6). При этом пируват образуется в процессе гликолиза. Рис. 7.6. Схема спиртового брожения у дрожжей и бактерий рода Sarcina Бактерии рода Sarcina образуют этанол тем же путем, что и дрожжи. Дрожжевое спиртовое брожение происходит при температурах до 30°С, поэтому саморазогрев бродящей массы является серьезной проблемой при производстве этанола и спиртосодержащих напитков. Этанол, образуемый дрожжами, не является для них «безразличным» соединением, так как уже 1—2%-й этанол может увеличивать текучесть мембран, и они перестают поддерживать градиент протонов. Дрожжи относятся к спиртотолерантным микроорганизмам — они способны выдерживать 9—12% (об.) этанола. Наиболее экстремальными в этом отношении являются дрожжи расы sake (до 18%). Они используются для приготовления рисовой водки (саке). Процесс начинается с расщепления крахмала риса плесневыми грибами рода Aspergillus, образующими амилазы. Полученные олиго- и моносахара дрожжи сбраживают до этанола. Дрожжи не могут существовать в анаэробных условиях постоянно. Обычно они останавливаются в росте после 5—6 делений, так как одна из стадий синтеза их мембранных фосфолипидов требует присутствия кислорода. При наличии ~0,02% кислорода дрожжи переключаются на аэробное дыхание, при котором образуется в 20 раз больше биомассы и синтезируется значительно больше АТФ. Процесс брожения, наоборот, подавляется, а явление носит название эффект Пастера. В то же время при избыточной концентрации сахара в среде наблюдается эффект Крэбтри, когда дрожжи даже в присутствии кислорода сохраняют высокую активность брожения и не переходят на аэробное дыхание. Изучая спиртовое брожение дрожжей, немецкий исследователь Карл Нейберг показал, что при добавлении некоторых химических веществ к бродящей массе можно получить измененный состав продуктов брожения. Нормальное дрожжевое брожение К. Нейберг называл I формой. При связывании ацетальдегида бисульфитом (NaHS0 3 + СН3СНО — > —» CH3CH0H-S03Na) акцептором водорода становится диоксиацетонфос- фат (ДОАФ), который восстанавливается и дефосфорилируется до глице- рола. Суммарная реакция брожения в этом случае выглядит так: глюкоза + бисульфит натрия —> глицерол + ацетальдегидсульфит + С02. Такая модификация известна как II форма брожения по Нейбергу. Этот прием успешно используется в биотехнологии для получения глицерола. При изменении pH среды с помощью NaHC0 3 или Na2HP04 брожение принимает III форму по Нейбергу. При этом ацетальдегид превращается путем реакции дисмутации в этанол и ацетат, а акцептором водорода опять становится ДОАФ, образуя глицерол по реакции Некоторые бактерии способны осуществлять процесс спиртового брожения при повышенных температурах. Например, подвижный палочковидный микроорганизм Zymomonas mobilis способен сбраживать сахара при 45°С. Этот монотрих был выделен из сброженного сока агавы (пульке), из которого путем перегонки получают известный алкогольный напиток текилу. Zymomonas mobilis, в отличие от дрожжей, превращает глюкозу в пируват по КДФГ-пути. Некоторые клостридии и энтеробактерии проводят процессы брожения, в которых этанол является одним из продуктов (рис. 7.7). В зависимости от условий соотношение веществ (ацетат, этанол, С0 2, лактат) может значительно варьировать. В гетероферментативном молочнокислом брожении этанол образуется как минорный продукт (например, у Leuconostoc mesenteroides). 3. Пропионовокислое брожение, значение и микроорганизмы Пропионовокислое брожение осуществляют бактерии семейства Pro- pionibacteriaceae рода Propionibacterium. Различают несколько видов пропионовокислых бактерий, из которых широко известны Propionibacterium freudenreichii и Propionibacterium acidi-propionici. Бактерии рода Propionibacterium представляют собой грамположительные неподвижные палочки, обычно полиморфные, есть булавовидной формы с одним закругленным концом, другим — конусообразным. Возможны удлиненные, кокковидные, раздвоенные, разветвленные. Располагаются клетки поодиночке, парами, цепочками. группами и т. д. Спор не образуют. Пропионовокислые бактерии относятся к анаэробам, но они могут развиваться в условиях низкого парциального давления кислорода. Источниками энергии для них служат углеводы, органические кислоты, спирты и др. Продуктами брожения углеводов при участии пропионовокислых бактерий могут быть различные комбинации пропионата и ацетата, меньшие количества изовалериата, формиата, сукцината или лактата и СО,: Пропионовокислые бактерии способны сбраживать лактат, образовавшийся в результате брожения под действием других бактерий, превращая его в пропионат и ацетат: Сбраживание углеводов пропионовокислыми бактериями происходит по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса до стадии образования пирувата. Затем в зависимости от условий пируват может окисляться до ацетата и СО,, восстанавливаться в лактат, карбокси- лироваться в оксалоацетат, который через малат и фумарат восстанавливается до сукцината. Пропионат может образовываться восстановлением пирувата или лактата либо декарбоксилированием сукцината. Все перечисленные процессы достаточно сложны, состоят из большого числа реакций, катализируемых многими ферментами. Для роста пропионовокислых бактерий необходима среда с белками и аминокислотами, но они могут развиваться и на простых источниках азота (например, аммонийных солях) в присутствии витаминов (пантотеновая кислота, тиамин и биотин). Оптимальная температура роста для бактерий 30—37 °С, pH 7. Большие количества пропионовокислых бактерий обнаруживают в рубце и пищеварительном тракте жвачных животных. В рубце присутствуют бактерии, гидролизующие целлюлозу с образованием глюкозы. Последняя затем превращается в лактат и другие вещества. Пропионовокислыс бактерии сбраживают глюкозу и лактат в пропионат и ацетат, которые всасываются в кровеносную систему животного. Пропионовокислыс бакгерии используют в производстве твердых сычужных сыров. По окончании молочнокислого брожения лактозы в созревающем сыре наступает стадия пропионовокислого брожения, сопровождающаяся сбраживанием лактата в ацетат и пропионат, придающие сырам острый вкус. Выделяющийся при этом диоксид углерода обусловливает появление «рисунка» сыра, т. е. глазков. Кроме того, бактерий данного рода используют для получения витамина В )2, образующегося в результате их жизнедеятельности в значительно ббльших количествах, чем у других микроорганизмов. На основе бактерий рубца, среди которых есть Propionibacterium ас- ties, получен препарат «Пропиовит». Он стимулирует развитие полезной микрофлоры кишечника животных, сокращает их потери от заболеваемости и гибели, увеличивает привесы животных и птиц. 4. Типы брожений, осуществляемые родом клостридий, их значение в природе для человека. Группы клостридий: Сахаролитические Пектинолитические Пептидолитические Пуринолитические Маслянокислое брожение. Осуществляется сахаролитическими клостридиями. Продукты СО2 Н2, ацетон, бутират. впервые изучил Л. Пастер, вызывается оно маслянокислыми микробами, разлагающими углеводы с образованием масляной кислоты, по следующему суммарному уравнению: Маслянокислые микробы в большинстве анаэробы, они широко распространены в природе, их обнаруживают в почве, воде, воздухе, на растениях, продуктах питания и кормах. Одновременно с углеводами они разлагают жиры и белки, при этом вначале образуются промежуточные продукты — пировиноградная кислота, уксусный альдегид, затем масляная кислота и побочные продукты — ацетон, бутиловый спирт, углекислота, водород. Маслянокислое брожение вызывает около 25 видов микроорганизмов. Основные из них: Cl. pasteurianum, Cl. pectinovorum, Cl. felsineum. Это подвижные крупные палочки с закругленными концами, образуют споры, приобретая характерную веретенообразную форму. В цитоплазме этих микробов содержится гликоген и гранулеза, поэтому они хорошо окрашиваются раствором йода в синий и бурый цвет. Споры микробов весьма устойчивы к теплу и могут переносить стерилизацию при температуре 120 oС, оставаясь живыми, например, в мясных и рыбных консервах. Размножаясь в консервах, они образуют газы, вызывающие вздутие банок (бомбаж). Одновременно в этих продуктах накапливаются и ядовитые вещества. Поэтому консервы с бомбажем в пищу непригодны. Маслянокислое брожение нередко является причиной прогоркания семян подсолнечника, сои, прогоркание растительных масел и жиров животного происхождения. При накапливании в силосе масляной кислоты в количестве 0,3—0,4 % он плохо поедается животными. Маслянокислые микробы участвуют в самосогревании влажного зерна, сена. Ацетонобутиловое брожение. Осущ. Сахаролдитические клостридии. Продукты : СО2, Н2, ацетон, изопропанол, этанол химический процесс разложения углеводов ацетонобутиловыми бактериями и проходящий анаэробно (без доступа кислорода) с образованием ацетона, бутилового спирта, а также уксусной, масляной кислот и газов брожения - водорода и углекислоты. Разработан химиком Хаимом Вейцманом перед Первой Мировой войной и был основным способом получения ацетона для взрывчатки. Процесс брожения вызывается бактериями Clostridium acetobutylicum и родственными микроорганизмами Бактерии родаClostridium,осуществляющие маслянокислое иацетонобутиловое брожение,находят практическое применение.Их используют в производстве масляной кислоты,необходимой для парфюмерной промышленности, а также для получения в промышленном масштабе ацетона и бутанола. Для производства этих продуктов используют картофель, зерно, мелассу и другоесырье, содержащее углеводы. Маслянокислые бактерии нередко причиняют вред, вызываяпорчу продуктов–прогоркание масла, сметаны, квашеных овощей, силоса, а также при недостаточной стерилизации–порчу консервированных грибных и мясных продуктов. Кроме того, многие клостридии патогенны и вызывают заболевания человека и животных. Пектиновое брожение Осущ 18 видов клостридий. Продукты гидролиза – галактуроновая кислота, галактоза Разложение растительных остатков, ежегодно попадающих в громадных количествах в землю, начинается с разрушения пектиновых веществ ферментами микроорганизмов. Большой вклад в изучение микрофлоры, участвующей в мочке прядильных растений, и условий среды, при которых этот процесс лучше всего протекает, сделал советский микробиолог И. А. Макринов. 3. С. Маркова выделила микроб Clostridium pscovianum, при участии которого в Псковской области и Сибири поздней осенью в процессе обработки волокнистых растений проводят пектиновое брожение при температуре 8-10 °С. Пептидолитические бактерии Кл. спорогенес, кл септикум, кл тетани, кл бутулинум. Сбраживание аминокислот – газовая гангрена. Пуринолитические клостридии. Осущ смешанное брожение Смешанное брожение лежит также в основе приготовления кумыса из кобыльего молока. В данном случае молочнокислое брожение осуществляют термофильные молочнокислые палочки, близкие к Lactobacillus bulgaricus, и дрожжи рода Torula, сбраживающие лактозу. Сбраживаемое молоко периодически взбалтывают, в результате чего казеиновый сгусток мелко дробится. Йогурт готовят внесением в пастеризованное гомогенизированное молоко чистых культур Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus, а биойогурт получают сквашиванием молока культурами Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus. 5.Общая характеристика процесса дыхания. Дыхание микроорганизмов, типы дыхания. Дыхание микроорганизмов – сопряженный окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит перенос электронов и протонов от окисляемого вещества до восстанавливаемого, в результате образуется АТФ – универсальный аккумулятор химической энергии. Все физиологические процессы – питание, рост, размножение, образование спор, капсул, выработка токсинов – осуществляются при постоянном притоке энергии. Микробы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров. Основную роль в дыхании большинства микроорганизмов играет цикл трикарбоновых кислот, где органические вещества как источник энергии окисляются до углекислого газа и воды, а отнятый от них пиридиновыми и флавиновыми ферментами электрон передается по дыхательной цепи активированному кислороду. Освободившаяся в результате этих процессов энергия закрепляется в АТФ или других органических фосфатах. У микроорганизмов, кроме цикла трикарбоновых кислот, может проходить цикл дикарбоновых кислот, пентозофосфатный шунт. По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на: 1) облигатные (строгие) аэробы, 2) облигатные анаэробы, 3) факультативные (необязательные) анаэробы, 4) микроаэрофилы. Строгие аэробы (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, так как они его используют в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ с дальнейшим включением в цикл трикарбоновых кислот. При этом, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, выделяется значительное количество энергии. Облигатные анаэробы (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens, бактероиды) способны жить и размножаться только в отсутствии свободного кислорода воздуха. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты). При этом выделяется небольшое количество энергии. Акцептором водорода или электронов у анаэробов может быть сульфат. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, муравьинокислое, маслянокислое и пропионовокислое брожение. Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н2О2; понижен окислительновосстановительный (редокс) потенциал; отсутствуют цитохромы. Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и без него (стафилококки, кишечная палочка). Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Факультативные анаэробы могут осуществлять анаэробное дыхание, которое называется нитратным. Нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака. Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его. Микроаэрофилы растут при сниженном парциальном давлении кислорода. Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки), которые лучше культивируются при уменьшенном содержании О 2 (около 5%), и микроаэрофильные анаэробы, которые способны расти в анаэробных и микроаэрофильных условиях, но не культивируются в обычной воздушной среде или в СО2. 6) анаэробное дыхание. Денитрифицирующие и десульфитирующие микроорганизмы. При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов в электронтранспортной цепи являются неорганические или органические соединения. Например, если конечным акцептором электронов является , то процесс называют сульфатным дыханием, а бактерии – сульфатвосстанавливающими или сульфатредуцирующими. При использовании в качестве акцептора электронов элементарной серы (S0) анаэробное дыхание называется серным. В том случае, если конечным акцептором электронов служит или то процесс называется нитратным дыханием или денитрификацией, а бактерии, осуществляющие этот процесс, – денитрифицирующими. В качестве конечного акцептора электронов может выступать СО2, процесс соответственно называют карбонатным дыханием (метаногенез), а бактерии – метаногенными (метанобразующими). Одним из немногих примеров, когда конечным акцептором служит органическое вещество, является фумаратное дыхание. Основное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезируется в процессе мембранного фосфорилирования. Выход АТФ при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном, но больше, чем при брожении. Нитратное дыхание, или денитрификация Конечными акцепторами электронов при нитратном дыхании являются нитраты ( ) или нитриты ( ). Результатом нитрат-ного дыхания является восстановление или до газо-образных продуктов (NО, N2О или N2). К денитрификации (как, впрочем, и некоторым другим процессам азотного цикла) способны только бактерии, у эукариот эти реакции не происходят. Суммарную реакцию нитратного дыхания, где окисляемым субстратом является глюкоза, а конечным акцептором электронов – нитраты, можно записать следующим образом: Полный процесс денитрификации состоит из четырех реакций восстановления, каждая из которых катализируется специфическими мембраносвязанными редуктазами. Первый этап: восстановление нитрата до нитрита, катализируют молибденсодержащие ферменты нитратредуктазы: Второй этап: восстановление нитрита до оксида азота, катализируют нитритредуктазы: Третий этап: восстановление оксида азота до закиси азота (гемиоксида азота), катализируют редуктазы оксида азота: Четвертый этап: восстановление закиси азота в молекулярный азот, катализируют редуктазы закиси азота: Процесс полной денитрификации, когда происходит восстановление до N2, транспорт электронов в дыхательной цепи можно представить следующим образом. Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Способность к денитрификации обнаружена у представителей более чем 40 родов эубактерий и только у одной группы архебактерий, относящихся к экстремальным галофилам. Среди эубактерий способностью к денитрификации обладают грамотрицательные протеобактерии родов Pseudomonas, Alcaligenes, Paracoccus, Hyphomicrobium и Thauera, а также некоторые представители грамположительных бактерий рода Bacillus. Денитрифицирующие бактерии – это обитатели пресных и морских водоемов, почв разного типа, хотя процесс денитрификации у них происходит только в анаэробных условиях, т. е. когда содержание кислорода падает ниже 0,2%. Сульфатное дыхание, или диссимиляционная сульфатредукция Это процесс окисления в анаэробных условиях субстрата (органических соединений или молекулярного водорода), при котором в качестве конечного акцептора электронов выступает сульфат ( ), в результате чего происходит его восстановление до H2S. Бактерии, осуществляющие этот процесс, получили название сульфатвосстанавливающих или сульфатредуцирующих. Все сульфатвосстанавливающие бактерии, за исключением представителей двух родов (Desulfotomaculum и Desulfosarcina), имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Среди них есть и одноклеточные, и нитчатые формы. К одноклеточным бактериям относятся представители родов Desulfovibrio (слегка изогнутые, не образующие эндоспор палочки с полярно расположенным жгутиком) и Desulfotomaculum (спорообразующие палочки с перитрихиально расположенными жгутиками). Нитчатые формы, для которых характерен скользящий тип движения, представлены бактериями рода Desulfonema. Восстановление сульфата начинается с его активирования с участием АТФ в реакции, катализируемой АТФ-зависимой сульфурилазой: В результате этой реакции образуется аденозинфосфосульфат (АФС) и пирофосфат (ФФ), последний расщепляется пирофосфатазой. Аденозинфосфосульфат с помощью аденозинфосфосульфатредуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием АМФ (аденозинмонофосфата): Восстановление сульфита ( ) до сульфида (S2-) отличается у разных видов бактерий: • в первом случае сульфит с помощью сульфитредуктазы прямо восстанавливается до сульфида: • Являясь основными продуцентами сероводорода, сульфатвосстанавливающие бактерии могут приносить вред, вызывая коррозию металлических труб и других подводных и подземных сооружений: Серное дыхание – процесс окисления в анаэробных условиях молекулярного водорода или органических веществ (ацетата, пропионата и этанола), при котором акцептором электронов является элементарная сера (S0) в результате чего происходит ее восстановление до сероводорода. Органические вещества при серном дыхании окисляются полностью до СО 2 и Н2О. Карбонатное дыхание – процесс анаэробного окисления молекулярного водорода, а также других неорганических и органических веществ с использованием в качестве конечного акцептора электронов молекул СО 2, в котором главным продуктом является метан (метаногенез). Бактерии, осуществляющие этот процесс, называются метаногенными. В настоящее время известно около 50 видов метаногенных бактерий, которые объединены в 17 родов (Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, Methanosarcina и др.). Метаногенные бактерии в соответствии с современной филогенетической классификацией относятся к архебактериям. Фумаратное дыхание отличается от всех описанных ранее способов анаэробного дыхания следующими особенностями: во-первых, это пример анаэробного дыхания, когда роль конечного акцептора электронов в дыхательной цепи играет органическое вещество (фумаровая кислота); во-вторых, этот тип получения энергии не является единственно возможным для какой-либо определенной таксономической группы бактерий. Во всех известных в настоящее время случаях бактерии, способные осуществлять фумаратное дыхание – хемоорганотрофы, которые обладают также способностью к брожению. Восстановление фумарата в бактериальных клетках часто сопровождается образованием сукцината, который может выделяться в среду в довольно больших количествах, а бактерии, осуществляющие этот процесс, называют сукциногенными. К ним относят, в первую очередь, некоторые виды родов Bacteroides, Fibrobacter, Wolinella. К фумаратному дыханию способны многие другие хемоорганотрофы, но их метаболизм не сопровождается выделением заметных количеств янтарной кислоты. 7) Хемосинтез. Особенности процесса. Значение. Хемосинтез - Синтез органических соединений из углекислого газа и воды, осуществляемый не за счет энергии света, а за счет энергии окисления неорганических веществ, называетсяхемосинтезом. К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий. Отличием хемосинтеза от фотосинтеза является отсутствие «световой» реакции. В качестве источника энергии, клетки хемосинтезирующих организмов используют энергию не солнечного света, а энергию химических реакций. Каких именно? Реакции окисления водорода, окиси углерода, восстановления серы, железа, аммиака, нитрита, сурьмы. Конечно, каждый хемосинтезирующий организм использует свою собственную химическую реакцию как источник энергии. Например, водородные бактерии окисляют водород, нитрифицирующие бактерии переводят аммиак в нитратную форму и т. д. Однако все они накапливают энергию, высвобождающуюся в процессе химической реакции, в виде молекул АТФ. Далее процесс протекает по типу реакций темновой стадии фотосинтеза. Итак, хемосинтез представляет заманчивую возможность использования энергии неорганических соединений элементов, которые легко меняют степень своего окисления, для получения АТФ и синтеза органических веществ путем фиксации углекислого газа. Отметим, однако, четыре обстоятельства. 1. Большинство известных случев хемоавтотрофии требуют свободного кислорода в качестве окислителя, в редких случаях он замещается кислородом нитратов. А как вы помните, кислород в атмосфере является продуктом фотосинтеза. Все это означает, что с точки зрения геохимического круговорота веществ хемосинтез на Земле сейчас вторичен по отношению к фотосинтезу. 2. Такие вещества, как аммиак, сероводород и водород, часто сами образуются в результате жизнедеятельности бактерий, правда совсем других, которые используют для получения энергии и построения вещества своего тела такой эффективный ресурс, как уже готовая органика. Таким образом, во многих случаях за счет хемоавтотрофов общее количество органики не прирастает. Они просто являются элементами общей цепи ее расщепления, включающей множество микроорганизмов – просто на этом этапе добавляется локальный ресинтез органики из СО2 за счет энергии каких-то промежуточных соединений, образованных в процессе ее глобального разложения. 3. Преобладающий в настоящее время на планете тип хемосинтеза - окисление сероводорода вулканического происхождения. 4. Кислород воздуха легко окисляет сероводород «самостоятельно», без помощи микроорганизмов. Поэтому эти два газа почти не встречаются вместе. К примеру, глубинные слои почвы характеризуются восстановительной средой, там есть метан и сероводород, но нет кислорода. Восстановительная среда сменяется окислительной, где присутствует кислород, но нет сероводорода – в очень узком слое, здесь есть оба газа – буквально несколько миллиметров. Именно и только там и могут развиваться почвенные хемосинтетические серобактерии. (Еще более экзотично одновременное присутствие кислорода и водорода.) Нитрифицирующие бактерииокисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты (NH3→ HNO2→ HNO3). Железобактериипревращают закисное железо в окисное (Fe2+→ Fe3+).Серобактерииокисляют сероводород до серы или серной кислоты (H2S + ½O2→ S + H2O, H2S + 2O2→ H2SO4).В результате реакций окисления неорганических веществ выделяется энергия, котораязапасается бактериями в форме макроэргических связей АТФ. АТФ используется для синтеза органических веществ, который проходит аналогично реакциям темновой фазы фотосинтеза. Хемосинтезирующие бактерии способствуют накоплению в почве минеральных веществ, улучшают плодородие почвы, способствуют очистке сточных вод и др. 8) хемолитотрофные микро, группы, значение. Хемолитотрофные бактерии - (*хемо- используют энергию, освобождаемую при реакциях окисления-восстановления; лито – организмы, способные использовать в качестве доноров электронов неорганические вещества) - многочисленные группы почвенных и водных бактерий, которые могут использовать в качестве доноров водорода или электронов неорганические соединения или ионы (ионы аммония, нитрита, сульфита и др.), а также элементарную серу, молекулярный водород и СО, 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 хемолитотрофные бактерии способны расти за счет «анаэробного дыхания». Для некоторых хемолитотрофных бактерий такой образ жизни является облигатным, другие же – факультативные хемолитотрофы, т.е. способны также и к хемоорганогетеротрофному росту. Таким образом, хемолитотрофы могут существовать как в аэробных, так и анаэробных условиях и использовать довольно широкий круг неорганических соединений в качестве источников энергии. На основании специфичности хемолитотрофов в отношении субстратов их можно разделить на 5 основных групп: · Нитрифицирующие бактерии окисляют восстановленные неорганические соединения азота, · Бактерии, окисляющие серу, используют в качестве источника энергии H2S , молекулярную серу (S0) или ее частично восстановленные окислы. · Железобактерии окисляют восстановленное железо или марганец, · Водородные бактерии используют в качестве источника энергии молекулярный водород, · Карбоксидобактерии используют единственный источник углерода и энергии – СО2 . К хемолитотрофным можно отнести также сульфатвосстанавливающие и метаногенные бактерии. Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию окислением в анаэробных условиях молекулярного водорода, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат (SO 42-). Метаногенные бактерии используют CO 2 в качестве конечного акцептора электронов при окислении молекулярного водорода. Нитрифицирующие бактерии.Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиака, азотистой кислоты). Они входят в семейство Nitrobacteriaceae, которое состоит из 8 родов. Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий – это Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi. Таблица 1 –Нитрифицирующие бактерии Бактерии, окисляющие аммиак (Nitroso-) Бактерии, окисляющие нитрит(Nitro-) NH4+ + ½O2 → NO2 - + 2H+ + H2O NO2 - + ½O2→ NO3 - Nitrosomonas europaea Nitrobacter winogradskyi Nitrosococcus oceanus Nitrobacter agilis Nitrosospira briensis Nitrospira gracilis Nitrosolobus multiformis Nitrococcus mobilis Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы.Тиановые бактерии состоят из 4 родов: Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus. Тиановые бактерии способны окислять с получением энергии, помимо молекулярной серы, многие ее восстановленные соединения: сероводород (H2S), сульфит (SO32-), сульфиды тяжелых металлов и т.д. Полное ферментативное окисление тиановыми бактериями молекулярной серы и различных ее восстановительных соединений приводит к образованию сульфата (SO42-). Окисление сероводорода (H2S) до сульфата сопровождается потерей 8 электронов, поступающих в дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит: H2S → S0 → SO32- → SO42В качестве представителей тиановых бактерий можно рассмотреть следующие: Thiobacillus thiooxidans; S. acidocaldarius; бесцветные нитчатые серобактерии Beggiatoa, Thiothtix, а также крупные одноклеточные формы Thiovulum. Железобактерии.Основным представителем железобактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans . Железобактерия Thiobacillus ferrooxidans окисляет двухвалентное железо до трехвалентного: 4Fe2+ + 4 H+ + O2 = 4 Fe3+ + 2 H2O. В результате такого окисления высвобождается энергия. Водородные бактерии.Бактерии, окисляющие в аэробных условиях молекулярный водород с использованием кислорода как конечного акцептора электронов, объединяют в группу аэробных водородных бактерий. Все они способны как к автотрофной фиксации СО2 , так и к использованию органических субстратов. Таким образом, водородные бактерии являются факультативными хемолитоавтотрофами, которые растут при окислении Н 2 в аэробных условиях: Н2 + ½ О2 + Н 2О. С таксономической точки зрения аэробные водородные бактерии представляют собой чрезвычайно гетерогенную группу. Большинство видов относится к грамотрицательным родам Pseudomonas, Paracoccus, Xanthobacter, некоторые виды – к грамположительным родам Bacillus, Mycobacterium, Rhizobium. К водородным бактериям в итоге относятся представители 20 родов, совершенно различных по своим биохимическим и физиологическим характеристикам. Карбоксидобактерии. Это аэробные прокариоты, способные расти, используя окись углерода в качестве единственного источника углерода и энергии. Таким свойством обладают некоторые представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas и др. Это грамотрицательные прямые или слегка изогнутые палочки, подвижные. Использование СО карбоксидобактериями происходит путем его окисления до СО 2 в соответствии с уравнением:2 СО + О2 → 2СО2 Далее продукт реакции используется по каналам автотрофного метаболизма. Таким образом, при выращивании карбоксидобактерий на среде с СО в качестве единственного источника углерода и энергии источником углерода служит не СО, а СО2. Общее уравнение обмена карбоксидобактерий может быть представлено в виде следующего уравнения: 24 СО + 11 О 2 + Н2О → 23 СО2 + [СН2О] Окисление СО карбоксидобактериями осуществляется с участием СО-дегидрогеназы. Электроны, освобождающиеся при этом, поступают в электронтранспортную цепь, состав которой аналогичен таковому водородных бактерий. 9) типы фотосинтеза прокариот. Особенности аноксигенного фотосинтеза. Оксигенный фотосинтез характерен для цианобактерий и прохлорофит. При оксигенном фотосинтезе работают две пигментные системы, включающиеся последовательно. Пигментную систему цианобактерий, возбуждаемую более длинноволновым светом (λ < 730 нм), называют фотосистемой I. Она содержит хлорофилл (хл а1) (П700) – первичный донор электронов в первой фотореакции. Аноксигенный фотосинтез характерен для пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий, в клетках которых содержатся пигменты для функционирования только одной фотосистемы, а в процессе фотосинтеза кислород не выделяется, хотя фотореакции у них различаются. у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий имеется циклический транспорт электронов, в процессе которого образуется АТФ, и обратный транспорт электронов, при котором синтезируется восстановитель НАД · Н2 или НАДФ · Н2 . У зеленых серобактерий и гелиобактерий в результате фотохимической реакции одного типа индуцируется как циклический транспорт электронов, приводящий к образованию АТФ, так и нециклический, при котором образуется восстановитель. Таким образом, в процессе фотохимических реакций у различных представителей фототрофных бактерий образуются молекулы АТФ и восстановителей НАД · Н2 или НАДФ · Н2. Эти первые стабильные продукты фотосинтеза используются в конструктивном метаболизме бактерий для ассимиляции углекислого газа (фотоавтотрофы) и других соединений (фотогетеротрофы). Отличия бактериохлорофилла от хлорофилла: В 1ом пирольном кольце винильная группа заменена ацетильной группой Во 2ом пирольном кольце на 2 атомы водорода больше (оно более востановленое) «Бесхлорофилльный фотосинтез» способны осуществлять экстремально галофильные бактерии. В группу экстремально галофильных бактерий входят бактерии с разной морфологией клеток. Например, к роду Halococcus относятся грамвариабельные неподвижные кокки, к роду Halobacterium – грамположительные подвижные палочки с полярно расположенными жгутиками. Грамположительные бактерии рода Haloarcula имеют форму плоских квадратных пластинок и коробочковидных клеток. К этой группе относятся также представители родов Natronobacterium и Natronococcus, которые являются к тому же алкалофилами, растущими только при рН 9–11. 10) группы фототрофных микроорганизмов, характеистика пигментного состава. Пурпурные и зелёные бактерии (см. Серобактерии) содержат различные по составу хлорофиллы (т. н. бактериохлорофиллы а, b, с, d, е) и каротиноиды. Строгие или факультативные анаэробы. В отличие от высших растений, водорослей и цианобактерий, при фотосинтезе не выделяют кислород, т.к. для фотовосстановления CO2 используют в качестве донора водорода (электронов) не воду, а сероводород, тиосульфат, серу, молекулярный водород или органические соединения. Некоторые пурпурные бактерии, окисляя сероводород и тиосульфат, накапливают в клетках серу, которую далее могут окислять до сульфатов. Кроме CO2 эти микроорганизмы способны фотоассимилировать органические соединения – уксусную кислоту (ацетат), пировиноградную кислоту (пируват) и др. Одни виды растут в основом за счёт фотоассимиляции углекислоты, т. е. являются фотоавтотрофами, другие нуждаются в обязательном наличии органических веществ (фотогетеротрофы). Некоторые виды кроме лучистой энергии могут использовать энергию, образующуюся при дыхании или брожении, и растут в темноте. Многие виды фиксируют молекулярный азот. Общим для всех представителей пурпурных бактерий является то, что компоненты фотосинтетического аппарата находятся в тилакоидах. В большинстве случаев типичным для данной группы бактерий хлорофиллом является бактериохлорофилл а. Все эти бактерии способны фиксировать CO2 в цикле Кальвина. Многие пурпурные бактерии проявляют способность к азотфиксации. Цианобактерии содержат хлорофилл а, каротиноиды и пигменты, относящиеся к фикобилипротеидам. При фотосинтезе, как и растения, выделяют кислород, т.к. в качестве донора водорода используют воду. Большинство видов растут только в присутствии света, т. е. являются строгими фототрофами. Некоторые виды могут в незначительной степени ассимилировать органические соединения. Значительное число видов фиксирует молекулярный азот. Подавляющее большинство цианобактерий является облигатными фототрофами, т. е. могут расти только за счет энергии солнечного света. При этом для них характерен фотосинтез, основанный на функционировании двух фотосистем с использованием Н2О в качестве донора электронов и сопровождающийся выделением молекулярного кислорода. Образующиеся в процессе фотосинтеза АТФ и НАДФН используются далее в темновых реакциях для фиксации СО 2 в цикле Кальвина. В качестве первого стабильного продукта этого цикла идентифицирован гликоген. Помимо этого пути, у цианобактерий обнаружена активность фосфоенолпируваткарбоксилазы, что позволяет им ассимилировать СО 2 путем карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты. Особую форму фотосинтеза осуществляют бактерии рода Halobacterium, которые не содержат хлорофилла. Это галофильные микроорганизмы, т. е. растущие на средах с высокими концентрациями хлористого натрия; гетеротрофы. В использовании лучистой энергии для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) у них участвует каротиноид ретиналь, связанный с белком в комплекс, называется бактериородопсином. В клетках гелиобактерий, кроме бактериохлорофилла g, имеется небольшое количество каротиноидов. Гелиобактерии являются единственными грамположительными фототрофами, способными к образованию настоящих эндоспор. Описаны четыре рода гелиобактерий: Heliobacterium, Heliophilum, Heliozestis, Heliobacillus. Все они представлены палочковидными клетками, часто имеющими суженные окончания. 11) Фотосинтез пурпурных бактерий. 12) Фотосинтез зеленых бактерий При возбуждении Бхл а РЦ зеленых бактерий происходит изменение его ОВП от +0,3 В до –1,2 В. Функцию первичного акцептора выполняет железо-серный белок с ОВП равным –0,54 В. Поднятие электрона до такого уровня делает возможным перенос его на Фд (–0,4 В) и далее на НАД+ (–0,32 В). В этой группе универсальные восстановители образуются в ходе фотохимической реакции, при этом функционирует нециклический путь переноса электронов. Экзогенными донорами электронов могут выступать различные соединения серы и водород, например: S2O3 2– – 2e → SO3 2– H2S – 2e → S0 S2O3 2– – 6e → S2– H2 – 2e → H2O Кроме того, у зеленых серных бактерий возможен и циклический путь переноса электронов. При этом электроны с железо-серного белка передаются далее по цепи переноса электронов на менохинон, комплекс цитохром в1, белок Риске и затем через цитохром с553 на исходный хлорофилл. Циклическая передача сопряжена с синтезом АТФ (Рис. 25). Зеленые серные бактерии — небольшая группа (около 15 видов) одноклеточных пресноводных и морских микроорганизмов, некоторые способны существовать при очень низкой интенсивности света на глубине в несколько десятков метров. Строгие анаэробы, преимущественно фотоавтотрофы. Такой же тип фотосинтеза с функционированием одной фотосистемы «железо-серного» типа и возможной передачей электронов как по циклическому, так и по нециклическому пути характерен для гелиобактерий, единственных из Гр+ бактерий, способных к фотогетеротрофному росту. 13) Фотосинтез цианобактерий. Цианобактерии, в отличие от пурпурных и зеленых, используют в качестве экзогенного донора электронов более восстановленное соединение — воду, имеющее низкое значение ОВП (+0,8 В). Чтобы использовать электроны воды для образования восстановителей (НАДН или Фд), требуются большие энергетические затраты, чем при использовании в качестве доноров электронов водорода или соединений серы. Проблема низкоэнергетического донора решается за счет использования двух фотосистем, различающихся по спектру поглощения света, и у цианобактерий имеют место две фотореакции. Фотосистема I с реакционным центром Р700 («железо-серного типа») осуществляет нециклический и циклический транспорт электронов. От возбужденного хлорофилла электрон передается на первичный акцептор, в качестве которого могут выступать железо-серный белок или Хл а, далее на ферредоксин (ОВП –0,43 В). С ферредоксина при циклическом транспорте электрон передается в мембранную ЭТЦ на цитохром в563 и далее на пластохинон и комплекс, включающий цитохром в6 (559)/f и железо-серный белок, пластоцианин и возвращается на исходный хлорофилл. Транспорт электрона сопряжен с синтезом АТФ. При нециклическом транспорте электроны с ферредоксина передаются на НАД+, в работу включается вторая фотосистема с РЦ Р680 («хинонового» типа). Электрон при возбуждении хлорофилла ФС II передается первичному акцептору, роль которого выполняет феофетин, далее начинает движение по мембранной электронотранспортной цепи через хинон на пластохинон и комплекс цитохром в6 /f и пластоцианин на хлорофилл фотосистемы I. 14) Фотосинтез галоархей. Некоторые археи из группы экстремальных галофилов способны аккумулировать солнечную энергию и использовать ее для регенерации АТФ. При этом мембранное фосфорилирование не связано с функционированием электронотранспортных систем и проходит без участия хлорофилла. Представители этой группы (Halobacterium, Halococcus, Natronobacterium и др.) встречаются в природных соленых водоемах, в бассейнах для добычи соли (выпаривание), в белковых засоленных продуктах (рыбе, мясе) и других местах с повышенной концентрацией хлорида натрия (до 35%). Кислород плохо растворяется в концентрированных растворах соли, поэтому в местах обитания галоархей могут создаваться анаэробные условия. В аэробных условиях галоархеи получают энергию за счет дыхания. В анаэробных условиях в темноте может осуществляться анаэробное дыхание, а на свету галоархеи получают энергию за счет фотохимических процессов. При нехватке кислорода на свету происходит активный синтез бактериородопсина из комплекса белка, расположенного в мембране, ковалентно связанного с С20-каротиноидом ретиналем. По химической структуре этот комплекс близок к зрительному пигменту животных — родопсину. Бактериородопсин концентрируется в мембране в виде отдельных пятен (бляшек) пурпурного цвета диаметром до 0,5 мкм и толщиной 4,5 нм. В целом пурпурные бляшки могут занимать до 50% и более поверхности клетки. Кроме ретиналя в мембране галоархей много каротиноидов, придающих колониям розовый или красный цвет и, видимо, предохраняющих их от фото окисления. Способность микроорганизмов, имеющих бактериородопсин, использовать энергию света установлена в семидесятые годы XX века (Oesterhelt, Stoeckenius, 1973). В основе фотосинтеза лежит светозависимое превращение бактериородопсина. Белковая часть комплекса расположена в мембране в виде тяжей, направленных перпендикулярно поверхности мембраны. Белковые тяжи и мембранные липиды формируют протонные каналы. Ретиналь расположен параллельно плоскости мембраны и связан с белковой частью через Шиффово основание, образованное альдегидной группой ретиналя и аминогруппой лизина. Ретиналь имеет две конформации — цис- и транс-форму, отличающиеся друг от друга поглощением света с разной длиной волны: цис-форма поглощает волны 412 нм, транс-форма — 570 нм. В темноте Шиффово основание находится в протонированной форме. Поглощение кванта света вызывает изменение конформации ретиналя, что приводит к отщеплению протона от Шиффова основания с внешней стороны мембраны. Депротонированный цис-ретиналь за счет энергии более коротковолнового света переходит в транс-форму и присоединяет протоны из цитоплазмы. Весь цикл протекает за 10 мс. 15) Участие микроорганизмов в круговороте соединений углерода. Например, аминокислоты железо-серного белка при его разложении используются клеткой вновь, а железо выделяется и оседает на поверхности в виде нерастворимого гидроксида. 16) Участие микроорганизмов в круговороте соединений азота. Бактерии, способные окислять восстановленные соединения азота, называются нитрифицирующими. Это небольшая группа грамотрицательных бактерий. К ним относятся бактерии, окисляющие аммиак до нитритов (нитрозобактерии), и бактерии, окисляющие нитриты до нитратов (нитробактерии). Нитрифицирующие бактерии, наряду с фотосинтезирующими, имеют наиболее развитую и сложноорганизованную внутриплазмати ческую мембранную сеть, что говорит о важности «поверхностных реакций» для жизни этих организмов. К нитрозобактериям относятся: Nitrosomonas — мелкие палочки с субполярными жгутиками и ламеллярными внутриклеточными мембранами, Nitrosococcus — кокки с субполярными, порой многочисленными (до 20) жгутиками и ламеллярными мембранами и др. Первая фаза нитрификации, осуществляемая нитрозобактерими, проходит в несколько этапов. На начальном этапе аммиак активируется с образованием гидроксиламина за счет восстановительных эквивалентов (НАДН). Реакция идет под контролем медьсодержащей монооксигеназы, расположенной в мембране. NH3 +1/2 O2 → NH2OH На следующем этапе происходит окисление гидроксиламина до нитрита в две ступени. Сначала образуется нитроксил в свободной форме, затем к радикалу присоединяется вода и образуется нитрит. Окисление контролируется ферментом гидроксиламиноксидоредуктазой (сложный протеид, содержащий гем С-типа), локализованной в периплазме. Электроны, освобождающиеся при окислении гидроксиламина поступают в электронтранспортную цепь на уровне комплекса цитохрома с. Вторая фаза нитрификации, осуществляемая нитробактериями, приводит к дальнейшему окислению нитрита до нитрата. Процесс контролирует фермент нитритоксидоредуктаза, расположенный в мембране и связанный с электронотранспортной цепью на уровне цитохрома «в». ОВП субстрата (аммиак/нитрит = +0,44 В, нитрит/нитрат = +0,35) так же недостаточно для прямого восстановления НАД+. Оно осуществляется путем обратного транспорта электронов. (схема в тетрадях) 17) Участие микроорганизмов в круговороте соединений серы и железа. Восстановленные соединения серы служат донором электронов для аноксигенного фотосинтеза. Некоторые хемотрофные микроорганизмы также используют в разной степени восстановленные соединения серы для поступления электронов в ЭТЦ и синтеза АТФ. Многие из этих прокариот являются облигатными или, чаще, факультативными литоавтотрофами. Серуокисляющие бактерии можно разделить на две группы. Первая группа — микроорганизмы, накапливающие и откладывающие серу в клетке (Achromatium, Macromonas, Thiospira, Beggiatoa и др.). Вторая группа микроорганизмов, окисляющих сероводород, серу не накапливает, а утилизирует ее дальше, окисляя до сульфата. Их условно называют тионовыми бактериями, так как центральный род в этой группе Thiobacillus, названный так за способность расти на среде, содержащей тиосульфат. Эти бактерии могут окислять так же и сероводород, тетратионат (S4O6 2–), тиоционат (SCN), диметилсульфат (CH3SCH3), сероуглерод (CS2). К окисляющим серу организмам относятся как бактерии, так и археи (Sulfolobus, Acidianus, Metallosphoera, Stygiolobus и др). Окисление соединений серы сочетается у архей с автотрофией, правда большинство серуокисляющих архей не являются облигатными автотрофами. Количество реакций, проводимых серуокисляющими прокариотами очень велико, так как в природе существует очень большое количество как неорганических, так и органических соединений серы, с различной степенью окисления от +6 до -2. Приведем только некоторые из возможных преобразований: S + 2H+ +0,5O2 → S + H2O S2- + 2O2 → SO4 2– S + H2O + 1,5O2 → SO4 2– + 2H+ + 2e В большинстве случаев окисление сероводорода идет сначала до молекулярной серы, которая затем окисляется до сульфата. Окисление сульфида связано с работой ЭТЦ. Образующийся из сульфида сульфидсульфгидральный комплекс связан с мембраной. Окисление молекулярной серы представляет затруднение для микроорганизмов из-за ее нерастворимости, особенно если она находится во внешней среде. В этом случае бактерии вырабатывают особые липиды (фосфатил-N-метилэтаноламин, фосфатилглицерол и др.), в которых сера растворяется и поступает в периплазматическое пространство. Сера, образующаяся как промежуточный продукт и накапливающаяся в цитоплазме, представляет собой политионаты — липофильную серу. Сера окисляется до сульфита под контролем мембраносвязанного фермента оксигеназы, при этом электроны поступают в ЭТЦ. Тиосульфат широко представлен в метаболизме хемолитотрофных бактерий. Степень окисления серы составляет +2. Некоторые тиобациллы окисляют тиосульфат до сульфата без промежуточных продуктов: S2O3 2– + H2O + 2 O2 → SO4 2– + 2H+ + 2e При этом электроны поступают в ЭТЦ на уровне цитохрома «с», а затем на терминальную цитохромоксидазу (цитохром «а-а3»). Серные тионовые бактерии и археи играют важную роль в геохимических процессах земли, круговороте соединений серы, в формировании биогенных месторождений гипса и самородной серы. Тионовые бактерии выступают симбионтами многих водных животных, например глубоководных моллюсков и вестиментифер. (схема в тетрадях) Железо относится к важнейшим металлам в жизни всех без исключения организмов. В первую очередь это связано со способностью железа существовать в двух и трехвалентном состоянии. Это свойство реализуется в различных гемсодержащих соединениях, имеющих ионы железа в центре порфиринового кольца: гемоглобин, ферменты (каталазы, пероксидазы), цитохромы. Железо вместе с серой входит в активную группу железо-серных белков, таких как ферредоксин, рубредоксин и др. Все живые организмы включают соединения железа в свой конструктивный метаболизм. Есть бактерии, которые используют соединения железа с целью получения энергии и образования АТФ, а некоторые даже для восстановления НАД+. Этот процесс изучен на примере ацидофильной хемолитоафтотрофной бактерии Thiobacillus (Acidothiobacillus) ferrooxidans. Эта универсальная бактерия окисляет соединения серы, а также железа, меди, урана, свинца, никеля и других металлов с переменной валентностью в сульфидной форме (FeS, CuS, NiS, PbS, MoS и др.). Всего бактерии могут использовать 25 минералов. Окисление двухвалентного железа происходит по следующей схеме: 2Fe2+ +0,5O2 +2H+ → 2Fe3+ +H2O Окисление железа в связке с серой свойственно и другим микроорганизмам, таким как Sulfobacillus thermosulfidooxidans (палочковидные спорообразующие бактерии). Большинство железоокисляющих бактерий являются ацидофильными, так как в кислой среде соединения двухвалентного железа в аэробных условиях более менее устойчивы. Многие бактерии, способные осаждать на себе трехвалентное железо, участвуют в образовании ржавых осадков и даже болотных железо-марганцевых руд, не извлекая для себя никакой энергетической пользы Другие причины накопления бактериями соединений железа — адсорбция положительно заряженной коллоидной формы Fe3+ на отрицательно заряженной поверхности мембраны или выделения отработанного железа из органических соединений. Например, аминокислоты железо-серного белка при его разложении используются клеткой вновь, а железо выделяется и оседает на поверхности в виде нерастворимого гидроксида.
