Биохимия микроорганизмов

Р Е Ф Е Р, А Т по теме: БИОХИМИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ студента группы Э-44 РЕШЕТНИКОВА НИКОЛАЯ

Микрооганизмами принято называть мельчайшие живые существа, размеры которых меньше или немногим превышают разрешающую способность человеческого глаза (0,2 мм). Число известных микроорганизмов составляет много тысяч, причем открываются все новые виды. Большинство микроорганизмов в отличие от макроорганизмов одноклеточные, а имеющиеся многоклеточные формы сравнительно мало дифференцированы. Но в систематическом отношении микроорганизмы не представляют собой единой группы. На основании особенностей организации клеток, прежде всего генетического аппарата, они подразделяются на эукариот и прокариот. К эукариотным микроорганизмам относятся многие водоросли, грибы и простейшие. Для всех эукариот характерно наличие в клетках ядра, окруженного мембраной и содержащего набор хромосом, в которых находится ДНК, несущая основную генетическую информацию. Кроме того, клетки эукариот имеют развитый эндоплазматический ретикулум, митохондрии (синтезирующие формы и хлоропласты), а также другие органеллы общего характера. Участие эукариотных микроорганизмов наряду с вегетативным и бесполым размножением установлена способность к половому процессу. Прокариоты, или бактерии, объединяют только микроформы. Организация их клеток более простая, чем у эукариот. Ядро прокариот, называемое нуклеоидом, не окружено мембраной и представлено одной кольцевой молекулой ДНК. Эндоплазматический ретикулум, митохондрии и другие обособленные органеллы, свойственные эукариотам, у прокариот отсутствуют, а их функции выполняет клеточная мембрана. Большинство бактерий, также как водоросли и грибы, имеют жесткую клеточную стенку, но состав ее иной, чем у эукариот. Типичным компонентом клеточной стенки большинства прокариот, относящихся к эубактериям, является пептидогликан муреин, состоящий из N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты. Ни у одного из эукариот такой полимер не обнаружен. Имеются также и другие различия. Микроорганизмам принадлежит важная роль в природных процессах, а также в практической деятельности человека. Благодаря небольшим размерам микроорганизмы легко перемещаются с токами воздуха, по воде и другими способами, поэтому они быстро распространяются и встречаются в самых разных местах, включая и те, где другие формы жизни иногда отсутствуют. Характеризуют микроорганизмы способность к быстрому размножению и разнообразие физиологических и биохимических свойств. В результате некоторые из них могут расти в так называемых экстремальных условиях, которые для большинства других микроорганизмов неблагоприятные или вообще не поддерживают рост. Наряду с мезофилами, оптимальная температура для роста которых составляет 25−30 С, среди микроорганизмов есть так называемые психрофилы, некоторые из которых могут развиваться при температуре, близкой к нулю. Такие микроорганизмы распространены в морях и океанах, в пещерах, но обнаруживаются и в других местах, в том числе в холодильных установках. Известны также термофильные микроорганизмы, рост которых наблюдается при 60−80 С и даже выше (90−110). Такие экстремальные термофилы обнаружены, например, среди бактерий, встречающихся в геотермальных источниках. В зависимости от отношения микроорганизмов к молекулярному кислороду их принято делить на облигатные аэробы, факультативные анаэробы, аэротолерантные анаэробы и облигатные анаэробы. Большинство микроорганизмов, как и макроорганизмы, являются облигатными аэробами (для роста им необходим молекулярный кислород). Наряду с этим есть микроорганизмы, которые хотя и нуждаются в наличии О2, но могут расти или лучше растут при низком его содержании (2−10%). Такие микроорганизмы называют микроаэрофилами, а условия в которых они растут, микроаэробными.

Факультативные анаэробы растут как в присутствии, так и в отсутствии О2. Но в зависимости от условий роста происходят изменения в их метаболизме, прежде всего в энергетических процессах. Как правило, при наличии молекулярного кислорода такие микроорганизмы переключаются на окисление субстрата с участием О2, т. е. на аэробное дыхание, поскольку оно более выгодно, чем получение энергии в результате анаэробных процессов. Наглядным примером могут служить некоторые дрожжи, способные осуществлять в анаэробных условиях спиртовое брожение, а в аэробных полностью окисляющие в процессе дыхания сахара с образованием углекислоты и воды. Довольно много факультативных анаэробов и среди бактерий. Это Esсheriсhia, некоторые представители рода Baсillus, Рaraсоссus deiсans и ряд других. К аэротолерантным анаэробам принадлежат многие молочнокислые бактерии, способные расти в присутствии молекулярного кислорода, но при этом их метаболизм остается таким же, как и в анаэробных условиях. И в том и в другом случае они осуществляют брожение. Облигатные анаэробы не только не нуждаются для роста в наличии молекулярного кислорода, но и для многих видов он токсичен даже в ничтожно малой концентрации. К числу строгих анаэробов относятся метанобразующие, сульфатредуцирующие бактерии и ряд других прокариот. Среди эукариот облигатными анаэробами являются некоторые простейшие, в частности отдельные представители трихомонад.

Возможные типы питания микроорганизмов ——————————————————————————————————————————————————————————————————————— | Источник | доноры | источник углерода | | | ————————————————————————————————————| | энергии | электронов | органические | углекислота | | | | вещества | | ——————————————————————————————————————————————————————————————————————| | | органические | фотоорганогетеро| фотоорганоавто- | | | вещества | трофия | трофия | | свет ——————————————————————————————————————————————————————| | | неорганические | фотолитогетеро- | фотолитоавто- | | | вещества | трофия | трофия | ——————————————————————————————————————————————————————————————————————| | органические | органические | хемоорганогете- | хемоорганоавто- | | вещества | вещества | ротрофия | трофия | ——————————————————————————————————————————————————————————————————————| | неорганические| неорганические | хемолитогетеро- | хемолитоавто- | | вещества | вещества | трофия | трофия | ——————————————————————————————————————————————————————————————————————— Прим. Гетеротрофные организмы помимо органических веществ частоиспользуют и углекислоту, но как дополнительный источник углерода.

Разнообразны возможные типы питания микроорганизмов.(См. табл.). Часть из них, называемые фототрофами, как и зеленые растения, способны использовать для роста энергию света (пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии, прохлорофиты, некоторые галобактерии и водоросли). Остальные микроорганизмы, носящие название хемиотрофов, так же как животные и человек, получают энергию в результате окисления различных химических веществ. Среди фотои хемотрофов известны виды, способные все соединения клеток синтезировать их углекислоты. Их называют автотрофами. Особенно много автотрофов среди организмов, использующих в качестве источника энергии свет (возможность фотосинтеза). Многим микроорганизмам, как и животным, необходимы для роста органические соединения, которые используются ими в биосинтетических целях. Они носят название гетеротрофов. В случае хемотрофов окисляемый субстрат, иначе называемый донором электронов, обеспечивает получение организмом энергии и биосинтетические реакции восстановительного характера. У фототрофов донор электронов выполняет обычно только вторую функцию, поскольку источником энергии служит свет. Таким образом, с учетом источника энергии, донора электронов и характера веществ, используемых в биосинтетических процессах, возможных типов питания восемь; каждый из них реализуется большим или меньшим числом микроорганизмов, относящихся к прокариотам. В отличие от этого эукариотные микроорганизмы, как и макроорганизмы, проявляют способность либо к фотолитоавтотрофии, либо к хемоорганогетеротрофии. Первый тип питания присущ водорослям и высшим растениям, второй — грибам, животным, включая простейшие, и человеку. Другие типы питания, очевидно, оказались менее удачными и не явились основой для двух основных направлений эволюции, приведших к возникновению высокоорганизованных форм эукариот. В то же время сохранение у бактерий разных типов питания, видимо, меет существенное значение для их выживания при наличии более совершенных форм и позволяет нередко расти в весьма специфических условиях. Кроме того, микроорганизмы в целом характеризуются способностью спользовать гораздо больше химических веществ, чем микроорганизмы. Это касается прежде всего соединений углерода. Hекоторые микроорганизмы растут на очень сложных органических средах, содержащих те или иные факторы роста, т. е. вещества, которые необходимы им в готовом виде, поскольку синтезировать их они сами не могут. Чаще всего факторами роста являются витамины, но могут быть аминокислоты, пурины, пиримидины и другие органические соединения. Даже отдельные виды и штаммы микроорганизмов, которых относят к автотрофам, обнаруживают такую потребность. Организмы, нуждающиеся в факторах роста, называют ауксотрофами с указанием на то, в каком или в каких конкретно готовых соединениях они нуждаются. Соответственно виды и штаммы, не обнаруживающие эту потребность носят название прототрофов. К числу микроорганизмов, проявляющих высокую требовательность к составу среды и нуждающихся в ряде факторов роста, относятся многие молочнокислые бактерии, а также представители простейших. Ауксотрофные штаммы микроорганизмов легко образуются в результате мутаций. Известны также микроорганизмы (называемые паратрофами), которые являются облигатными внутриклеточными паразитами. К числу таковых относятся риккетсии. Из-за высокой требовательности в отношении питания подбор сред для выращивания некоторых микроорганизмов является сложной проблемой, а часть видов на искусственных средах культивировать вообще не удается. На многие микроорганизмы, даже из числа гетеротрофов, хорошо растут на синтетических средах, содержащих всего одно органическое соединение углерода, которое используется как источник энергии в биосинтетических целях. Значительное число микроорганизмов способно использовать белки, нуклеиновые кислоты, парафины, разные углеводы, включая целлюлозу и другие высокомолекулярные вещества. С другой стороны, есть микроорганизмы, рост которых обеспечивают такие простые органические вещества, как этанол, ацетат, гликолат и многие другие. Широко распространены так называемые метилотрофы, использующие в качестве источника энергии и углерода метан, метанол, метилированные амины и монооксид углерода, которые рост микроорганизмов не поддерживают, а многие даже токсичны. Наряду с использованием различных природных соединений углерода некоторые микроорганизмы могут воздействовать и на синтетические вещества, включая пластмассы и пестициды. Характерная особенность ряда бактерий — способность расти, получая энергию в результате окисления молекулярного водорода, аммония, нитритов, солей двухвалентного железа и некоторых других неорганических соединений. При этом многие из них растут в автотрофных условиях. Соответственно окисляемым субстратам выделяют такие группы хемолитоавтотрофов, как водородные, нитрифицирующие, серные бактерии, железобактерии. К числу хемолитоавтотрофных микроорганизмов, окисляющих Н2, относятся также многие метанобразующие бактерии, отдельные представители ацетатобразующих, сульфати серувосстанавливающих бактерий. Различные возможности проявляют некоторые микроорганизмы в отношении источников азота. Некоторые виды хорошо растут на средах с пептоном и другими органическими азотсодержащими соединениями, в том числе мочевиной. Значительное число микроорганизмов могут ассимилировать нитраты и еще больше аммоний. Интересной и важной особенностью ряда прокариотных микроорганизмов является их особенность фиксировать молекулярный азот. Долгое время считалось, что это свойство проявляется лишь у немногих видов, как-то у азотобактеров, отдельных представителей клостридий и фототрофных бактерий, а также у клубеньковых бактерий. Однако в последние годы показано, что способность к ассимиляции молекулярного азота распространена более широко. Многие микроорганизмы, как и растения могут использовать для синтеза серусодержащих соединений клеток сульфаты. Но некоторые виды способностью к ассимиляционной сульфатредукции не обладают и поэтому нуждаются для роста в наличии восстановленных соединений серы. Помимо потребности в так называемых макроэлементах, или в основных биоэлементах, к которым относят углерод, азот, кислород, водород, фосфор, серу, магний, железо, калий и кальций, микроорганизмы нуждаются для роста в ряде других элементов, но обычно в гораздо меньшем количестве. Поэтому их называют микроэлементами или минорными биоэлементами. В основном это различные металлы (цинк, медь, кобальт, никель, молибден, медь и ряд других), входящие в состав отдельных ферментов. Однако следует отметить, что потребность отдельных микроорганизмов в некоторых элементах может существенно различаться и зависит иногда от условий их роста. Например, потребность бактерий в молибдене существенно возрастает при использовании ими в качестве источника азота нитратов или молекулярного азота, поскольку этот элемент входит в состав нитратредуктазы и нитрогеназы, т. е. ферментов, участвующих в ассимиляции клетками соответственно NО3- и N2. Для роста бактерий, получающих энергию в результате окисления Fe2+ до Fe3+, железо необходимо в значительно большем количестве, чем требуется другим организмам. Для многих известных микроорганизмов характерен лабильный метаболизм. Такая способность выражается не только в их способности использовать большое число разных соединений углерода, азота и других элементов, но нередко проявляется в переключении с одного типа питания на другой. Например, значительное число фототрофных микроорганизмов могут расти в темноте в гетеротрофных, а некоторые и в автотрофных условиях. Ряд бактерий проявляет способность и к хемолитоавтотрофии, и к хемоорганонегетеротрофии. Такие организмы принято называть факультативными автотрофами. Некоторые микроорганизмы обнаруживают способность к так называемой миксотрофии, или смешанному типу питания. Например, одновременное использование в процессах биосинтеза органических и ассимиляции углекислоты по тому же типу, как в автотрофных условиях. Известны также случаи, когда микроорганизмы одновременно окисляют и органические и неорганические субстраты. Особенно четко способность к миксотрофии проявляется при их культивировании в проточных условиях с лимитированием по разным субстратам. Однако ряд микроорганизмов характеризуется постоянством своих потребностей в питании и, соответственно, процессах метаболизма. Среди них есть облигатные фототрофы и облигатные хемотрофы. Известны облигатные автотрофы, которые используют органические вещества в очень ограниченной степени, и во всех условиях основным источником углерода для них служит углекислота. Примером могут служить многие цианобактерии и нитрифицирующие бактерии. Напротив, некоторым гетеротрофам всегда необходимы определенные органические соединения. Часть из них, как уже отмечалось, удается культивировать только на сложных средах, содержащих ряд факторов роста. К числу таковых относится, например, ряд молочнокислых бактерий. Но есть микроорганизмы рост которых возможен на средах, содержащих очень простые органические вещества, например, метан или метанол. Однако другие соединения углерода их заменить не могут. Изучение различных микроорганизмов значительно расширило представление о том, в каких условиях возможно существование жизни. В результате проведенных исследований установлен также ряд важнейших биохимических закономерностей. Оказалось, что многие реакции, которые имеют место у микроорганизмов, аналогично таковым у растений и животных. Это подтверждает биохимическое единство всех организмов, обитающих на Земле. Вместе с тем установлено, что некоторые микроорганизмы имеют особенности не только в составе своих клеток, но и в тех процессах, которые могут осуществлять. Выше уже отмечалось, что только некоторые бактерии способны ассимилировать молекулярный азот с образованием из него аммиака, который используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих веществ клеток. Лишь некоторые микроорганизмы могут расти, используя углеводороды, лигнин и ряд других соединений углерода, а также получая энергию в результате окисления ряда неорганических веществ. Это определяется наличием у них особых ферментов, катализирующих реакции, к которым другие виды не способны. Только среди микроорганизмов есть виды, способные расти в отсутствие молекулярного кислорода. В результате таких энергетических процессов, как различные брожения и анаэробное дыхание. До недавнего времени считали, что фотосинтез облигатно связан с наличием у организмов, которые его осуществляют того или иного хлорофилла, представляющего собой магнийсодержащие тетрапиррольные пигменты. Однако недавно установлено, что у галобактерий, способных к фотосинтезу данный процесс происходит при участии пигментбелкового комплекса бактериородопсина, в который входит С20 — каротиноид ретиналь. Этот комплекс очень похож на ретиналь, являющийся зрительным пигментом животных. Большинство автотрофов, включая растения и микроорганизмы, ассимилируют углекислоту в результате действия рибулозобифосфатного цикла, называемого также циклом Кальвина. Однако у фототрофных зеленых и серобактерий, а также у некоторых хемотрофных бактерий (Hydrоgenоbaсter и Sulfоlоbus), как недавно установлено функционирует совершенно иная система автотрофной ассимиляции углекислоты, получившая название восстановительного цикла трикарбоновых кислот. Похожим путем ассимилируют углекислоту метанобразующие бактерии, но процесс не имеет циклического характера. Аналогичным образом, видимо, происходит усвоение углекислоты анаэробными бактериями, образующими ацетат, а также некоторыми другими анаэробами из числа прокариот. Важным результатом изучения метаболизма микроорганизмов, способных расти за счет использования метана, метанола и других С1 — соединений более восстановленных, чем СО2 является открытие у них трех принципиально различных путей ассимиляции формальдегида: серинового, риболозомонофосфатного и ксилулозофосфатного циклов. Таких примеров, свидетельствующих о разнообразии путей ассимиляции и диссимиляции микроорганизмами различных соединений, можно привести очень много. Трудно переоценить значение микроорганизмов в круговороте веществ, который осуществляется в природе. В результате способности воздействовать на разнообразные субстраты, нередко накапливая при этом в среде те или иные продукты метаболизма, и быстро расти в разных условиях микроорганизмы вызывают существенные изменения в окружающей среде. Они играют важнейшую роль в превращении многих веществ в почве и водоемах, участвуют в формировании и разрушении месторождений ряда полезных ископаемых, а также других природных процессах. Без многих процессов, которые осуществляют микроорганизмы в природе, жизнь на Земле давно бы прекратилась или приняла другие формы. Наглядным примером значения микроорганизмов в природе является их активное участие в разложении азотсодержащих органических веществ в почве, ведущем к образованию аммония и нитратов, а также фиксация молекулярного азота, отчего зависит рост растений. Не меньшее значение имеет разложение микроорганизмами и безазотистых полимерных соединений, прежде всего целлюлоза, которая в огромных количествах образуется ежегодно растениями. В результате деятельности микроорганизмов происходит также освобождение окружающей среды от ряда загрязняющих и ядовитых веществ, в частности пестицидов.