6

2.Физиология микроорганизмов. Понятие об основных путях метаболизма микробов. Ферменты

Физиология микроорганизмов изучает процессы их роста, развития ,питания, способы получения энергии для осуществления этих процессов, а также происходящие при этом превращения веществ в клетках

Метаболизм - Обмен веществ микроорганизмов.

Обмен веществ у микроорганизмов–это совокупность всех биохимических изменений и превращений веществ и энергии в клетках, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность, размножение мко, связь с внешней средой и адаптацию их к изменениям внешних условий.

Основные пути метаболизма микроорганизмов в основном не отличаются от всех живых существ Это катаболизм и анаболизм. Рассмотрим катаболизм углеводов умикроорганизмов. Углеводы являются главным продуктом фотосинтеза у растений, а для микроорганизмов они служат основными питательными веществами. Макромолекулы сначала расщепляются вне клетки .выделяемыми экзоферментами на мономерные и димерные блоки и лишь в такой форме поглощаются клеткой. Превращения глюкозы, цикл трикарбоновых кислот и дыхательная цепь –это основные метаболитические пути, в результате которых углеводы (сахара) окисляются до СО₂ и Н₂О, при этом выделяется энергия, которая переводится в биохимически доступную форму (в митохондриях)

Если у микроорганизмов при получении энергии путем окисления углеводов и некоторых органических кислот конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, то такой дыхательный процесс называется аэробным дыханием, если неорганическое соединение (нитраты, сульфиты, карбонаты) --анаэробным дыханием, и если акцептор—органическое соединение , то процесс называется -брожением

В случае аэробного дыхания вещество (углевод) полностью окисляется до своих конечных продуктов – углекислого газа и воды, при этом выделяется значительное количество тепловой энергии, что выражается следующим уравнением

С₆Н₁₂О₆ +6О₂ =6СО₂ +:6Н₂О +Q (28,8 * 10⁵ Дж)

Окислительные процессы у анаэробов протекают в отсутствие кислорода и заключаются в отщеплении водорода от окисляемого вещества (дегидрирование) и перенос его на органическое в-во –это брожение. К микроорганизмам, вызывающим брожение, относятся дрожжи, молочнокислые, маслянокислые и другие бактерии. Соответственно различают брожение спиртовое, молочнокислое, маслянокислое.

Глубокое понимание процессов метаболизма невозможно без изучения роли и значения ферментов.

Ферменты это белки выполняющие роль катализаторов биохимических реакций, которые постоянно протекают в микробной клетке.

Название ферменту дается по веществу, на которое он действует, с изменением окончания на -аза, н-р, фермент целлюлаза катализирует гидролиз целлюлозы, фермент расщепляющий крахмал (амилум) – амилаза. Наряду с этим ферменты называют и по функции – по химической реакции, которую катализируют :

-отщепление водорода (дегидрогенерирование) –дегидрогеназа,

реакция гидролиза –расщепление и синтез сложных органических соединений с участием воды --гидролазы

По современной классификации ферменты подразделяются на шесть классов:

1.Оксидоредуктазы –окислительно –восстановительные ферменты:

дегидрогеназы

• оксидазы;

• цитохромоксидазы

• каталаза

2.Трансферазы –ферменты переноса частей молекул или атомных группировок от одних соединений к другим

• фосфотрансферраза –катализируют перенос остатков фосфорной кислотыты с одного вещества на другое часто с участием АТФ и АДФ(перенос энергии)

• аминотрансферазы –перенос аминогрупп (--NH₂ )

3.Гидролазы

4.Лиазы –

5.Изомеразы

6.Лигазы-

3.Действие экологических факторов на микроорганизмы

Внешняя среда –это совокупность физических, химических и биологичеких факторов, от которых зависят все функции обитающего в данной среде микроорганизма и процессы его жизнедеятельности.

К физическим факторам относят : температуру, влажность, давление, свет и другие виды лучистой энергии, механическое воздействие и др

Химические факторы: концентрация растворенных веществ в среде,(т.е. осмотическое давление), кислотность.

К биологическим факторам относят все формы взаимодействия мко в природных и производственных условиях. Это –симбиоз, метабиоз, антагонизм и паразитизм.

Уровень воздействия каждого физического и химического фактора характеризуется минимумом , оптимумом и максимумом.

Минимум и максимум –это наименьшая и наибольшие величины, ниже и выше которой развитие микроорганизмов прекращается, оптимум наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности микро-организмов.

Физические факторы

Температура влияет на скорость размножения микроорганизмов и интенсивность протекания процессов обмена веществ в клетках. При повышении температуры происходит денатурация белков и ферментов и скорость размножения микроорганизмов снижается.

По отношению к температуре микроорганизмы делят на три группы:

психрофилы, мезофилы и термофилы.

Классификация по температурным режимам представлена в таблице 1

Таблица 1

Микроорганизмы	Минимальные температуры,ºС	Оптимальные температуры,ºС	Максимальные температуры,ºС
Психрофилы	-8 - 0	10 - 15	15 - 20
Мезофилы	0 - 10	30 - 37	40 - 45
Термофилы	15 - 20	40 - 55	60 - 70

Психрофильными микроорганизмами являются обитатели холодных источников, глубоких озер и океанов. Они хорошо развиваются на продуктах , хранящихся в холодильниках при низких плюсовых температурах. Наиболее сильной устойчивостью к низким температурам обладают плесени, например, Cladosporium, Thamnidium, Rhizopus , бактерии родов Pseudomonas. Среди психрофильных микроорганизмов различают группу психротрофных микробов. Психротрофными считаются микроорганизмы, способные размножаться при температуре 5ºС и ниже независимо от оптимальной температуры для их роста. Многие организмы адаптировались к низким температурам (при применяемых способах хранения молока и молочных продуктов) и видоизменились, образовав психротрофные штаммы.

Термофилы развиваются при высоких температурах и подразделяются на три основные группы:

• облигатные (строгие) термофилы, оптимум роста у них лежит в пределах 65 – 70ºС. Не растут при температурах ниже 40 - 42ºС;

• факультативные термофилы, имеющие максимальную температуру роста между 50 и 65ºС и способные также к размножению при комнатных температурах.

• Термотолерантные бактерии, имеющие максимальную температуру роста при 45 - 50 ºС, но могут расти также и при комнатной температуре.

Влажность

Содержание влаги среды в значительной степени влияет на развитие клетки, поскольку вода необходима для обмена веществ, питания клетки. Микроорганизмы могу жить и размножаться только в присутствии свободной воды, находящейся в среде в капельно-жидкостном состоянии. Только растворенные в такой воде питательные вещества могут поступать в клетку.

Микроорганизмы могут жить при различной влажности, но наиболее благоприятной для каждого вида является определенная оптимальная влажность. По отношению к содержанию в окружающей среде воды микроорганизмы можно разделить на три группы:

• Гидрофиты – влаголюбивые микроорганизмы. Они требуют высокой относительной влажности - 80 – 90%. (Дрожжи, молочнокислые бактерии, микроскопические грибы);

• Мезофиты – средневлаголюбивые;

• Ксерофиты -- это устойчивые к высушиванию микроорганизмы. К ним также относятся споры бактерий и грибов, которые даже в сухой среде сохраняют способность к прорастанию в течение многих лет.

Процесс высушивания используют для консервирования продуктов (сушка грибов, ягод, овощей, рыбы, мяса и т.д.). Микроорганизмы при этом находятся в угнетенном состоянии и не развиваются. При потере воды клеткой происходит ее высыхание, нарушается обмен веществ , тормозится развитие и возможна гибель клетки.

Влажность среды используют для управления микробиологическими процессами. Если процесс является полезным, то создают оптимальную для развития данного вида микроорганизмов влажность среды, а если вредным – поддерживают влажность среды ниже оптимальной.

При необходимости для сохранения микробных культур широко применяют метод лиофилизации( сублимации), т.е.процесс высушивания из замороженного состояния под вакуумом.

Свет и другие виды лучистой энергии.

Ультрафиолетовые лучи обладают высокой энергией и даже в малых дозах замедляют обмен веществ, изменяют свойства микроорганизма, инактивируют ферменты, что приводит к повреждению молекул важнейших веществ клетки. УФ – лучи обладают бактерицидным действием, т.е. убивают клетки микроорганизмов на поверхности предметов в течение нескольких минут.

Рентгеновские и инфракрасные лучи подавляют развитие микроорганизмов при более сильных дозах облучения. Их энергия в основном превращается в теплоту, которая губительно действует на микроорганизмы.

В результате воздействия радиоактивного излучения в клетке возникают необратимые нарушения обмена веществ, разрушаются ферменты, изменяются внутриклеточные структуры.

.Химические факторы

Осмотическое давление. Большое влияние на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений(осмотическое давление). Если их содержится мало - раствор называется гипотоническим. Оптимальное содержание питательных веществ создает идеальные условия для роста и развития микроорганизмов. Увеличение концентрации веществ приводит к задержке роста организма в связи с повышением осмотического давления в окружающей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называется гипертоническим.

Внутриклеточное осмотическое давление обусловлено концентрацией растворенных веществ в цитоплазме клетки. Существуют микроорганизмы, у которых оно колеблется в широких пределах: в природе микроорганизмы могут обитать в пресной воде и в соленой.

Многие микробные клетки не могут жить в растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри клетки. Это объясняется тем, что вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается, протопласт сжимается и клетка лизируется, т.е. растворяется. Данное явление называется плазмолиз. Его используют как один из методов консервирования пищевых продуктов. В качестве осмотически деятельных веществ в этих процессах используют поваренную соль и сахар. Большинство микроорганизмов при этом не развиваются, но некоторые могут существовать и при высоких концентрациях например, поваренной соли. Их называют галофилами (солелюбивыми).

Консервирующее действие соли используется для посола сыров, мяса, рыбных и других продуктов. Сахар используется при изготовлении варенья, джема, повидла, сгущенного молока с сахаром. При этом большая часть микроорганизмов сохраняет свою жизнеспособность, но не развивается.

В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, оболочка которой может лопнуть. Это явление называется плазмопсиз.

Высокое осмотическое давление не препятствует росту лишь некоторых микроорганизмов, называемых осмофильными(«любящими» высокое осмотическое давление. Плесени из рода Aspergillus и Penicillium могут расти на едва увлажненных субстратах.

Кислотность среды

Реакция среды, в которой обитают микроорганизмы, оказывает на них большое влияние. так как она определяет доступность для организма различных веществ и неорганических ионов. Для большинства микроорганизмов оптимальное значение рН – около 7. Очень кислая и очень щелочная реакция среды токсична для бактерий. Но существуют также бактерии, способные развиваться при щелочной реакции (рН 10 и выше) и в кислой среде (рН 3 и менее). Первые называются алкалафильными, вторые ацидофильными.

Некоторые микроорганизмы ( например, молочнокислые, маслянокислые бактерии) производят так много кислоты в процессе обмена веществ, что это приводит к остановке роста , а иногда и гибели их самих и окружающих их организмов. Другие бактерии могут вырабатывать щелочные продукты, например, при разложении мочевины и белков образуется аммиак, подщелачивающий среду.

Отрицательное влияние кислотности среды на большинство микроорганизмов используется в практике консервирования при приготовлении маринадов, квашеной капусты, силоса.