С.Дж.Перт

организм может удалять кислород из среды и создавать ана­

эробные условия. Большинст.во строгих анаэробов могут не

обладать механизмом, обеспечивающим поглощение кислорода.

Во время роста в анаэробных условиях Klebsiella aerogenes

напряжение растворенного кислорода было слишком низко,

чтобы его измерить, - ниже 0,1 мм рт. ст. [124].

Мы можем оценить концентрацию растворенного кислорода

в анаэробных культурах по значению Eh следующим путем.

Пусть Eh раствора, насыщенного кислородом при напряжении

кислорода 0,21 атм, равно 400 мВ [ 156]; допустим, что Eh умень­

шается на 60 мВ при уменьшении напряжения растворенного

на 9 в логарифмической шкале. Поэтому напряжение растворен­ ного кислорода будет соответствовать 0,21 • 10-9 атм. Такое па­

N • 0,25 • 10- 15, где N-число Авогадро (6 • 1023). Отсюда выте­

кает, что при значениях Eh, характерных для анаэробного мета­

болизма, количество бактерий превосходит числом молекулы кислорода, и большинство клеток полностью избавлены от дей­

ствия кислорода. Этот аргумент опровергает точку зрения, что

анаэробы, возможно, нуждаются в кислороде, но при исключи•

тельно низком его напряжении.

Глава 12

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПИТАНИЯ

12.1. Введение

Источники питания, необходимые организму для роста (не считая источников энергии), можно подразделить на следующие группы: 1) источники основных элементов: С, Н, О и N; 2) ис­

точники элементов, требующихся в меньшем количестве: Р, К, S, Mg; 3) витамины и гормоны; 4) источники микроэлементов. Термин факторы роста используют для обозначения особенно

важных источников питания, таких, как аминокислоты, которые

включаются целиком в структуру клетки. Это определение ис­

ключает источники углерода и энергии, потому что они катабо­

лизируются. Об источниках углерода и энергии, которые часто

используются клеткой и как источники кислорода и водорода,

речь шла в гл. 8. В настоящей главе обсуждаются вопросы, свя­

занные с источниками азота и других групп питания.

Первоначально микроорганизмы и клетки тканей культиви­

ровали на естественных средах, представляющих собой экстрак­

ты из растительного или животного материала; в качестве при­

меров можно назвать виноградный сок, молоко, кукурузный

экстракт, пептон и сыворотку. Часто подобные среды удобны,

так как они содержат источники всех четырех групп питания, но

все они обладают одним недостатком - неопределенностью

состава и, следовательно, значительной вариабельностью. Чтобы

изучать влияние источников питания, необходимо применять,

насколько это возможно, химически определенные или синтети­

ческие среды. Первые шаги к определению состава сред для культивирования были сделаны Пастером [234], который ввел полусинтетическую среду (частично известного состава); эта

среда состояла из глюкозы, виннокислого аммония и золы дрож­

жей и использовалась для выращивания дрожжей. Роль винной

кислоты не ясна, но она могла придать среде элективность при

выращивании дрожжей, так как в то время не было известно

каких-либо других способов получения чистых культур. Позже Вильдье [345] показал необходимость в дополнительных источ­ никах витаминов для роста дрожжей. Он нашел, что среда Па­

стера не могла обеспечить хороший рост дрожжей, если она не

содержала органический экстракт из дрожжевых клеток, на-

тельно оценить количество аминокислот, необходимых в каче­

стве факторов роста. Исключение составляет глутаминовая кис­

лота или глутамин, которые количественно играют большую

роль в аминоюrслотном метаболизме и содержание которых в

среде должно значительно превышать содержание остальных

аминокислот [65, 113].

12.3.3. Пептиды

Некоторые бактерии, нуждающиеся в нескольких аминокис­

лотах, растут лучше при внесении в среду одной или более аминокислот в форме пептидов, например гистидиновых пепти­

дов для Lactobacillus delbrueckii [237]. Рост Lactobacillus casei

в среде без пиридоксина происходил лишь при наличии D- и L-аланина, однако D-аланин препятствовал (как антагонист) потреблению L-аланина, и этот антагонизм можно было преодо­

леть путем добавления L-аланина в пептидной форме [168].

Также потребление cepиlta культурой L. delbrueckii тормозилось

как D-, таки L-аланином, а антагонизм преодолевался добавле­

нием серина в виде пептидов [269]. В культуре Streptococcus faecalis тирозин декарбоксилировался клетками в так9й степени,

что микроорганизм мог испытывать недостаток f3 тирозине.

В этом случае добавление тирозиновых пептидов обеспечивало

указанную культуру тирозином [167].

Часто аминокислоты действуют как ингибиторы роста. Инги­

бирование аминокислотами классифицируется как ингибирова­ ние конкурентного типа, если оно может быть снято другими

аминокислотами, или неконкурентного типа, если оно не может

быть преодолено другими аминокислотами. Антагонизм между

аминокислотами при их потреблении наблюдали в следующих группах: 1) фенилаланин, тирозин, триптофан; 2) серин, трео­ нин, аланин, глицин; 3) глутаминовая кислота, аспарагиновая

кислота [302, 186]; 4) валин, лейцин, изолейцин [165, стр. 211]; 5) норлейцин, метионин [ 165, стр. 211]. Этот антагонизм связан

с конкуренцией за общую пермеазу. В культуре Cephalosporium

нитрат-ионы подавляли потребление метионина ауксотрофным

штаммом, а с помощью ионов аммония этот антагонизм преодо­

левался (Нюш, личное сообщение). Ингибирование гистидином

роста мутанта Bacillus suЫilis снималось при добавлении в сре­

ду глицина в виде трипептида [78]. Для некоторых организмов

ферментативный гидролизат казеина становился ингибитором

роста при концентрациях выше 100 мкг/мл. Неконкурентное

ингибирование роста аминокислотами, так же как и другими

промежуточными метаболитами, обычно встречается в культу­

рах автотрофных микроорганизмов [164, стр. 47] и бактерий,

растущих на С1-соединениях, таких, как метан [93].

12.3.4. Лимитация роста азотом

Пры лимитации роста азотом в биомассе содержится меньше

белка, чем при лимитации роста углеродом; например, в дрож­

жах было обнаружено 30% белка при лимитировании культуры

аммиаком, в то время к~к при лимитации глицерином количест­

во белка в биомассе дрожжей составило 50% [187]. Низкое

содержание белка при избытке источника углерода является от­

ражением накопления энергетического резерва, такого, как

гликоген, в биомассе.

12.4. Потребности в витаминах и гормонах

Термин витаминьi используется здесь для обозначения фак­

торов роста, отличных от аминокислот. Витамины разбивают на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. В жирораст­

воримую группу входят витамины А, D, Е, К, убихинон, холе­

стерин и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолено­

вая, линолевая, арахидоновая). Витамины А, Д и Е, которые

необходимы для человека и животных, не были отмечены как

обязательные для роста микроорганизмов. Потребность в нена­

сыщенных жирных кислотах обнаружена для некоторых лакто­

бацилл [302] и для видов Sarcina [186]. Жирные кислоты удоб­

но вносить в среду в форме водорастворимых эфиров (твиновые

соединения). Холестерин необходим для многих микоплазм.

К водорастворимым витаминам относятся: аскорбиновая кис• лота, тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, пиридоксин,

никотиновая кислота, биотин, ~-аминобензойная кислота, фоле­ вая кислота, кобаламин, мевалоновая. кислота, холин и мезо­

инозит. Для некоторых витаминов существуют различные про­

изводные, так называемые «витамеры», например пиридоксамин

и пиридоксаль - витамеры пиридоксина, и организм может нуж­

даться лишь в одном специфическом витамере. Все водораство­ римые витамины, за исключением аскорбиновой кислоты, как

было обнаружено, являются факторами роста для ряда микро- ·

организмов и клеток тканей животных в культуре. Большинство

водорастворимых витамююв - компоненты коферментов. Холин

и инозит входят в состав липидов. Из изомеров инозита только

мезо- (или мио-) инозит обладает активностью фактора роста.

Снабжение конечными продуктами метаболических путей, в

которые включается витамин, может в какой-то мере его заме­

нить. Так, для замены биотина могут быть использованы нена­

сыщенные жирные кислоты [ l 78]. В среде неопределенного

состава дрожжевой экстракт используют обычно в качестве

источника витаминов.

Количество витамина, необходимое для культуры, редко

определяют в виде экономического коэффициента (выхода

биомассы). Поэтому не известно количество витамина, требуе­

мое для образования определенного количества биомассы. Не­

которые данные о значениях экономических коэффициентов в

расчете на потребленный витамин (при избыточном снабжении

витамином) приведены в табл. 11. Значение экономического ко­

эффициента по витамину часто бывает выше при лимитировании

роста этим витамином, чем при снабжении им в избытке. Эконо­

мический коэффициент по витамину может изменяться противо­

положно изменению скорости роста. Например, экономический

коэффициент дрожжей по тиамину уменьшается от 29,0 · 105 до

1,2-10 5 г сухой биомассы в расчете на 1 г тиамина при увели­

чении удельной скорости роста от 0,3 до 0,8 от ее максималь­ ного значения. Потребности в биотине у Corynebacterium gluta- micus снижались на 90%, когда рост шел на среде с ацетаrом

вместо глюкозы [169, стр. 271]. Следовательно, природа источ­

ника углерода энергии способна влиять на величину экономиче­

ского коэффициента (выход биомассы) в отношении потреблен­

ного витамина.

Таблица 11

Экономический коэффициент в р1счете на использованный витвмин

') Экономический коэффи11иент определяли в присутствии избытка витамина как коли­ чество грамм сухой биомассы, образованной в расчете на 1 r витамина.

Лимитация роста витаминами систематически не изучалась,

хотя очевидно, что она должна оказывать огромное влияние. На­

пример, недостаток биотина явился одним из факторов, ответст-