Контрольная по микробиологии

1.Химический  состав и потребность  микробов в углеводах,  липидах ,минеральных веществах. Роль ферментов в превращение этих веществ.

     Основную  часть микробной клетки составляет вода (80—90% общей массы). В состав клеток микроорганизмов входят следующие элементы (% массы сухого вещества): углерод — 50; кислород — 20; азот — 14; водород — 8; фосфор — 3; сера — 1; калий — 1; натрий — 1;кальций — 0,5; магний — 0,5; хлор — 0,5; железо — 0,2; другие элементы — 0,3. В очень небольших количествах в состав клетки входят микроэлементы цинк, медь, кобальт, стронций, марганец и др. Для биосинтеза основных макромолекул клетки, из которых формируются клеточная стенка, мембраны, нуклеоид, цитоплазма и другие компоненты, микроорганизмы должны получать все эти элементы в составе источников питания. Помимо питательных элементов, используемых для построения структурных частей клетки, микроорганизмы нуждаются в постоянном источнике энергии, которая расходуется на биосинтез, транспорт веществ и другие жизненные процессы в клетке.

Углерод. Наибольшее значение для питания микроорганизмов имеет углерод, составляющий в сухом веществе клеток около 50%. Потребности различных микроорганизмов в источниках углерода весьма разнообразны. Фотосинтезирующие организмы, использующие энергию солнечного света, и бактерии, получающиеэнергию при окислении неорганических  веществ, потребляют наиболее окисленную форму углерода (СО2) как единственный или главный источник углерода. Превращение СО2 в органические соединения клетки представляет собой восстановительный процесс, который идет со значительным потреблением энергии. Поэтому большую часть энергии, получаемой от солнечного света или от окисления восстановленных неорганических соединений, данные физиологические группы микроорганизмов расходуют на восстановление СО2 до уровня органического вещества. соединений. Следовательно, органические вещества служат одновременно и источником углерода, и источником энергии. Питательная ценность органических источников углерода за-висит от строения их молекул. Для большинства микроорганизмов лучший источник углерода — органические соединения, содержащие частично окисленные атомы углерода (группы —СНОН, —СН2ОН,—СОН). Отсюда можно сделать вывод о высокой питательной ценности веществ, содержащих спиртовые группы. Значительно хуже ассимилируются вещества с большим коли-чеством полностью восстановленных атомов углерода (радикалы —СН3 и =СН2 ) . К числу соединений, содержащих метиловые и метиленовые радикалы, относятся газообразные углеводороды, парафин, высшие жирные кислоты и т. д. Почти совсем не усваиваются органические соединения, содержащие углерод только в форме кар-боксила (—СООН), например щавелевая кислота. Считают, что питательная ценность органических соединений связана с легкостью их перехода в углеводы или близкие к ним со- единения, которые затем превращаются в вещества с тремя атомами углерода (пируват). Усвояемость органических соединений зависитне только от их растворимости и степени окисленности атомов углерода, но и от пространственной конфигурации молекул. Большинство активных компонентов клетки микроорганизма — соеди-нения оптически деятельные, причем клетка обычно усваивает только определенные оптические изомеры, например сахара, относящиеся к D-ряду, аминокислоты — к L-ряду. Очень немногие микроорганизмы обладают ферментами, превращающими один оптический изомер в другой.Поглощенные микробной клеткой органические вещества вовлекаются в сопряженные окислительно-восстановительные процессы. Часть атомов углерода окисляется до соединений с группами —СО и —СООН, которые затем преобразуются в СО2, другая часть, восстановившись до групп —СН3, =СН2 и =СН, входит в состав аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, высшихжирных кислот и т. п. Микроорганизмы значительно различаются по способностиусваивать разные соединения углерода и синтезировать из них со-ставные части клетки. Некоторые виды удивительно всеядны. Одна-ко известно и множество различных специализированных микроорганизмов, которые нуждаются в определенных соединениях. Существуют виды, использующие для питания нефть, газообразные углеводороды, парафины. Резина, гудрон, капрон и другие синтетические материалы и даже пестициды после попадания в почву начинают разлагаться при участии микроорганизмов. Практически не существует органических соединений, которые не усваивались бы микроорганизмами. Специфичность набора органических соединений, свойственная каждому виду микроорганизмов, используется для физиологической характеристики вида и для классификации микроорганизмов. Ряд микроорганизмов, использующих углерод органических соединений, нуждаются и в диоксиде углерода как в питательном веществе, однако в очень небольших количествах, так как он потребляется лишь в некоторых биосинтетических реакциях. Поскольку СО2 нормально продуцируется большинством микроорганизмов,использующих органические вещества, их биосинтетические потребности могут удовлетворяться в процессе метаболизма. Тем не менее полное удаление СО2 из среды, в которой культивируют микроорганизмы, часто задерживает или прекращает их рост. Некоторым бактериям и грибам для роста необходима довольно высокая концентрация СО2 в атмосфере (5—10%). Азот. Микроорганизмы нуждаются в источниках азотного питания.

       Азот служит материалом для образования аминных (NH2) и иминных (NH) групп в молекулах аминокислот, пуринов и пиримидинов, нуклеиновых кислот и других веществ клетки. Самый доступный источник азота для многих микроорганизмов — ионы аммония (NH4 +) и аммиак (NH3), достаточно быстро проникающие в клетку и трансформирующиеся в амино- и иминогруппы. Аммонийные соли органических кислот предпочтительнее для питания микроорганизмов, чем минеральные аммонийные соли, поскольку последние являются физиологически кислыми, и при потреблении NH3 в среде накапливаются анионы неорганических кислот(Н SO4  - , HPO4 -,Н С1 - ), что влечет за собой сильное снижение рН среды.Соли азотной кислоты в отличие от минеральных аммоний-ных солей не являются физиологически кислыми. После потребления NO3-микроорганизмами остаются ионы металлов (К+, Mg2+Na+), что способствует подщелачиванию среды. Не все микроорганизмы могут восстанавливать окисленные соединения азота и потреблять нитраты или нитриты. В целом большинство микроорганизмов способны использовать минеральные соединения азота. Существуют виды, способные усваивать молекулярный азот воздуха и строить из него необходимые компоненты клетки. Эти виды имеют большое значение в обогащении пахотного слоя связанными соединениями азота. Известно большое число групп микроорганизмов (бактерий и цианобактерий), способных к азотфиксации. Наряду с минеральными источниками многие микроорганизмы могут потреблять азот из органических соединений, которые одновременно служат и источниками углерода. Использование органических  источников азота связано с отщеплением от них NH3 и поглощением последнего клеткой. Некоторые микроорганизмы могут ассимилировать аминокислоты, употребляя их как готовые «строительные блоки». Усвояемость органических источников азота весьма различна.Белки, представляющие собой высокомолекулярные соединения, не проникают в клетку. Поэтому белками могут питаться только микроорганизмы, выделяющие в среду экзоферменты, расщепляющие молекулы белков до пептидов и аминокислот. Указанными свойствами обладают многие микроорганизмы. Обычно микроорганизмам, использующим только органические соединения азота, например аминокислоты, требуется определенный набор этих веществ. Высокая чувствительность подобных организмов к присутствию в среде некоторых аминокислот позволила разработать микробиологический метод их качественного и ко-личественного определения. Сера. Как и азот, сера — необходимый компонент клеточно-го материала всех организмов, в которых она встречается главнымобразом в восстановленной форме (сульфидная группа). Зеленые растения ассимилируют соединения серы в окисленном состоянии ввиде сульфатов и восстанавливают их для включения в биосинтез. Большинство микроорганизмов может использовать сульфаты как питательное вещество, но существуют бактерии, нуждающиеся для биосинтеза в источниках восстановленной серы. Источником серы для них могут служить неорганические сульфиды, тиосульфаты и содержащие серу органические соединения.Другие элементы питания микроорганизмов. Наряду с углеродом, азотом и серой микроорганизмы используют отельные количества калия и фосфора, небольшие — натрия, магния, кальция, железа.                       Фосфор входит в состав ряда важных органических соединений клетки (нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, коферменты и др.). Ряд органических соединений фосфора (АТФ и АДФ) используются в живых организмах как аккумуляторы энергии, высвобождающейся в ходе окислительных процессов. Без фосфора микроорганизмы не развиваются. В отличие от азота и серы фосфор встречается в составе органических веществ только в окисленном состоянии (Н3РО4). Он никогда не вступает в прямое соединение с углеродом, только по типу эфирной связи через кислородный мостик (—О—). Фосфор поступает в клетки микроорганизмов в виде молекулы фосфорной кислоты, в неизменной форме участвует в различных биохимических превращениях. Наилучший источник фосфора — соли ортофосфорной кислоты. Калий играет существенную роль в углеводном обмене микроорганизмов и синтезе клеточного вещества.Магний входит в состав бактериохлорофилла у зеленых и пурпурных бактерий, хлорофилла у цианобактерий, а также служит активатором ряда ферментов. Этот элемент находится в клетке главным образом в ионном состоянии или в составе нестойкихорганических соединений. Источником калия и магния могут быть их соли. Кальций также необходим для роста бактерий (например,Azotobacter, Clostridium pasteurianum и др.). Источником кальция слу-жат его водорастворимые соли. К числу незаменимых питательных элементов, хотя и требующихся микроорганизмам в небольших количествах, относится железо. Оно входит в составе особой органической группировки (гема) в коферменты некоторых важных ферментов (например, цитохромов), участвующих в дыхании микроорганизмов. Источником железа могут быть сульфаты и другие его соли. Микроорганизмам необходимы также микроэлементы, которые потребляются в малых количествах, но без них невозможно осуществление важнейших жизненных функций. Они входят в состав ферментов. Например, медь входит в состав порфиринов, участвующих в переносе кислорода в процессах дыхания, молибден —в состав фермента нитрогеназы, осуществляющей фиксацию азотаиз атмосферы. Кроме источников основных питательных веществ (органогенные элементы, зольные и микроэлементы), многие микроорганизмы нуждаются в специфических соединениях, которые регулируют рост и называются факторами роста. К ним относявитамины и витаминоподобные вещества, пурины и пиримидины, аминокислоты и ряд других соединений. Не обнаруживающие по-требности в факторах роста микроорганизмы называются прототрофами, нуждающиеся в том или ином ростовом веществе — ауксотрофами.

     В основе физиологических функций  лежит непрерывный обм6ен веществ  – метаболизм. Сущность обмена веществ  составляют два противоположных  и вместе с тем взаимозависимых  процесса: ассимиляция (анаболизм) и  диссимиляция (катаболизм). В процессе ассимиляции происходит усвоение питательных  веществ и использование их для  синтеза клеточных структур. При  процессах диссимиляции питательные  вещества, разлагаются и окисляются. При этом выделяется энергия, необходимая  для жизни микробной клетки.

     В результате распада питательных  веществ, происходит расщепление сложных  органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для синтетических реакций и включаются в процессы ассимиляции. Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов. Микроорганизмы содержат ферменты, благодаря которым осуществляют функции обмена веществ.

     Ферменты  микроорганизмов синтезируются  самой микробной клеткой и имеют сложное строение. Некоторые из них состоят только из белка— протеина, а другие ферменты представляют собой протеиды, состоящие из белка — апофермента и небелковой группы—кофермента. В этом случае апофермент соединяется с активной группой изменяемого вещества, а необладающий специфичностью кофермент способствует течению реакции.

Ферменты  обладают высокой специфичностью, то есть способностью изменять продукты в строго определенном направлении. Например, фермент эстераза расщепляет жир, протеаза—белок, каталаза—перекись водорода. Их активность очень высокая. Так, I г химозина может свернуть 12 т молока, а I г амилазы превратить I т крахмала в сахар. Оптимум действия микробных ферментов совпадает с оптимумом жизнедеятельности того микроорганизма, из которого он выделен.

По решению  биохимического конгресса (1961) все ферменты делят на щесть классов: 1) оксидоредрктазы — ферменты переноса водорода и кислорода, это ферменты дыхания, брожения; 2) трансферазы—фермеп- ты переноса радикалов РО₃, Н₂, СНз, моносахаров; 3) гидролазы—ферменты присоединения или отщепления частичек воды у белков, жиров и углеводов; 4) лиазы - ферменты, отщепляющие или присоединяющие без участия воды различные соединения с двойной связью; 5) изомеразы — ферменты, производящие глубокие внутримолекулярные перестройки (например, превращающие глюкозу в левулезу); 6) липазы (синтетазы) —ферменты, соединяющие две молекулы с одновременным разрывом фосфатных связей.

Каждый  класс ферментов обозначается четырьмя цифрами. Первая цифра означает класс  фермента; вторая—подкласс» указывающий  соединение, на которое действует фермент; третья—подподкласс и четвертая—номер фермента. Все эти цифры разделяются точками. Так, ката-лаза обозначается 1.11.1.6. Каждый фермент имеет окончание «аза», подчеркивающее его принадлежность к данной группе.

Для определения  вида микроорганизма пользуются определением у него наличия или отсутствия ферментов третьего класса — класса гидролаз.

Тагже ферменты классифицируют на Экзоферменты, выделяясь в окружающую среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, которые могут быть усвоены микробной клеткой. К экзоферментам относятся гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате гидролиза белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жиры – на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисахариды) – на дисахариды и моносахариды. Расщепление белков вызывают ферменты протеазы, жиров – липазы, углеводов – карбогидразы. Эндоферменты участвуют в реакциях обмена веществ, происходящих внутри клетки. Конститутивные ферменты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий ее существования. Это в основном ферменты клеточного обмена – протеазы, липазы, карбогидразы и др.

     Индуктивные (адаптивные) ферменты синтезируются  в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной  среде и когда микроорганизм  вынужден усваивать этот субстрат. Индуктивные ферменты позволяют  микробной клетке приспособиться к  изменившимся условиям существования.  
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Фиксация  молекулярного азота  микроорганизмами.Использование азотфиксаторов в животноводстве для синтеза белка и повышения белковости сельскохозяйственных культур.

     Превращение соединений азота. Азот — один из важных элементов на земле, он входит в состав белков и нуклеиновых кислот; 75,5% (по массе) его содержится в атмосфере, остальное количество в виде органических и минеральных соединений — в воде и почве. В круговороте азота в природе большая роль принадлежит микроорганизмам.

     Как известно, атомы в молекуле азота (N2) соединены тремя ковалентными связями, энергия диссоциации которых  равна 9,4 • 105 дж/моль. Наибольшей энергией — 5,3-105 дж/моль — обладает первая связь, вторая — 2,5-105 дж/моль, третья — 1,6-105 дж/моль. Эти связи очень прочны, и молекулы азота поэтому химически инертны. Именно инертность азота обусловливает необходимость его активации, так же как и повышения химической активности вступающего с ним в реакцию соединения или элемента.

     Синтез  аммиака из атмосферного азота химическим путем, осуществляемый методом Габера — Боша, происходит при температуре 400— 500 °С и высоком давлении (200—1000 атм). Клетки микроорганизмов проводят процесс азотфиксации в обычных условиях.

       Каким образом фиксируют азот  микроорганизмы, если и здесь  сохраняется в силе требование  больших энергетических затрат  для активации молекулы азота?  Может быть, их энергетический  обмен дает такую возможность?  В самом деле, у азотфиксаторов, как указывает В. Л. Кретович (1964), интенсивность энергии обмена, в частности степень потребления кислорода, значительно выше, чем у бактерий, неспособных фиксировать азот. И ферменты у них более активные. Однако, каким путем эта энергия используется в процессе азотфиксации, до сих пор еще точно не установлено.

     В современных гипотетических схемах механизма азотфиксации несомненное предпочтение отдается восстановительному характеру превращений молекулярного азота, о чем в 20-е годы этого столетия утверждали наши замечательные соотечественники С. П. Костычев и С. Н. Виноградский, выдвигая «аммиачную теорию» фиксации атмосферного азота. У всех свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов, а также и при симбиотической азотфиксации аммиак (NH3) обнаружен в качестве первого стабильного продукта этого процесса.

     Наиболее  вероятно, что разрыв связей в молекуле азота происходит не сразу, а последовательно, в результате действия ферментных систем. 

Аммонификация белковых веществ.

В цитоплазме клеток содержатся белковые вещества, которые в виде остатков растений и трупов животных попадают в почву, где они подвергаются разложению. В результате распада белков происходит выделение азота и виде аммиака, отчего процесс получил название аммонификации (гниение). Аммонификация белковых веществ—первый микробиологический процесс по превращению азотистых соединении в природе. Он протекает при температуре не ниже 10 С в определенной влажности. Роль гнилостных микробов в природе велика: разлагая трупы животных и остатки растений, они очищают нашу землю и дают пищу высшим растениям. Процесс аммонификации может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Аммонификация происходит при участии разнообразных микробов: бацилл, бактерий, актиномицетов, плесневых грибов. По отношению к кислороду воздуха их делят на аэробов, факультативных аэробов и анаэробов.